在车辆发动机起动期间增强起动机系统的超级电容器的制作方法

1.本发明涉及一种在车辆发动机起动期间增强起动机系统的超级电容器(超级电容)。


背景技术：

2.具有柴油或汽油发动机的车辆(例如汽车、卡车、建筑设备、农用设备)通常使用起动机马达来起动发动机。发动机必须以一定速度转动才能开始运转(例如将燃料和空气吸入气缸并压缩混合物)。这种初始转动是由起动机马达完成的，该起动机马达的齿轮(即小齿轮)与发动机飞轮边缘周围的较大的齿圈啮合。起动机马达也可以在包括起停系统的车辆行驶期间使用，该起停系统在空转期间(例如在交通灯处)关闭发动机以节省燃料和限制排放，并且当制动器被释放时重新起动发动机。对于具有大型发动机的车辆，例如八缸(例如v8)发动机，典型的起动机系统在某些条件比如寒冷天气下可能是不够的。因此，希望提供一种在车辆发动机起动期间增强起动机系统的超级电容。


技术实现要素：

3.在一示例性实施例中，一种车辆中的系统包括用于起动车辆发动机的起动机马达和在发动机起动期间给起动机马达供电的电池。超级电容器可控地与电池串联连接，以在发动机起动期间向起动机马达提供额外的功率。
4.除了这里描述的一个或多个特征之外，该系统还包括控制超级电容器到电池的连接的开关。
5.除了这里描述的一个或多个特征之外，开关是电控开关或电子开关装置。
6.除了这里描述的一个或多个特征之外，开关是单刀双掷开关，并且配置为基于第一输出将电池直接连接到起动机马达，并且配置为基于第二输出将与超级电容器串联的电池连接到起动机马达。
7.除了这里描述的一个或多个特征之外，开关或将与超级电容器串联的电池连接到起动机马达，或将电池从起动机马达断开。
8.除了这里描述的一个或多个特征之外，该系统还包括第二开关，其中第二开关可控地将电池直接连接到起动机马达。
9.除了这里描述的一个或多个特征之外，该系统还包括控制器，以控制第二开关基于开关配置为将电池从起动机马达断开来将电池直接连接到起动机马达。
10.除了这里描述的一个或多个特征之外，该系统还包括第二开关和发电机。第二开关可控地将发电机连接到超级电容器，以对超级电容器充电。
11.除了这里描述的一个或多个特征之外，该系统还包括直流(dc)到dc转换器，其耦合到超级电容器以对超级电容器进行再充电。
12.除了这里描述的一个或多个特征之外，该系统还包括充电电路，其耦合到超级电容器以对超级电容器进行再充电。
13.在另一示例性实施例中，一种起动车辆发动机的方法包括将起动机马达联接到发动机，起动机马达配置成起动车辆的发动机，并且配置电池以在发动机起动期间给起动机供电。该方法还包括可控地将超级电容器与电池串联连接，以在发动机起动期间向起动机马达提供额外的功率。
14.除了这里描述的一个或多个特征之外，该方法还包括设置开关来控制超级电容器到电池的连接。
15.除了这里描述的一个或多个特征之外，开关是电控开关或电子开关装置。
16.除了这里描述的一个或多个特征之外，该开关是单刀双掷开关，并且该方法还包括控制该开关以基于第一输出将电池直接连接到起动机马达，并且基于第二输出以将与超级电容器串联的电池连接到起动机马达。
17.除了这里描述的一个或多个特征之外，该方法还包括控制开关以或将与超级电容器串联的电池连接到起动机马达，或将电池从起动机马达断开。
18.除了这里描述的一个或多个特征之外，该方法还包括设置第二开关以可控地将电池直接连接到起动机马达。
19.除了这里描述的一个或多个特征之外，该方法还包括配置控制器来控制第二开关，以基于开关将电池从起动机马达断开来将电池直接连接到起动机马达。
20.除了这里描述的一个或多个特征之外，该方法还包括设置第二开关以可控地将发电机连接到超级电容器以对超级电容器充电。
21.除了这里描述的一个或多个特征之外，该方法还包括将直流(dc)到dc转换器耦合到超级电容器，并且配置dc到dc转换器以对超级电容器再充电。
22.除了这里描述的一个或多个特征，该方法还包括将充电电路耦合到超级电容器，并且配置充电电路以对超级电容器再充电。
23.当结合附图时，从以下详细描述中，本公开的上述特征和优点以及其他特征和优点将变得显而易见。
附图说明
24.其他特征、优点和细节仅通过示例的方式出现在以下详细描述中，详细描述参考附图，其中：
25.图1是具有在发动机起动期间增强起动机系统的超级电容器的车辆的框图；
26.图2是根据示例性实施例的具有在发动机起动期间增强起动机系统的超级电容器的起动机系统的示意图；
27.图3是图2所示的起动机系统的各方面的电路图；
28.图4是根据示例性实施例的具有在发动机起动期间增强起动机系统的超级电容器的起动机系统的示意图；
29.图5是根据示例性实施例的具有在发动机起动期间增强起动机系统的超级电容器的起动机系统的示意图；
30.图6是根据示例性实施例的具有在发动机起动期间增强起动机系统的超级电容器的起动机系统的示意图；
31.图7是根据示例性实施例的具有在发动机起动期间增强起动机系统的超级电容器
的起动机系统的示意图；以及
32.图8是根据示例性实施例的具有在发动机起动期间增强起动机系统的超级电容器的起动机系统的示意图。
具体实施方式
33.以下描述本质上仅是示例性的，并不旨在限制本公开、其应用或用途。应当理解，在所有附图中，相应的附图标记表示相同或相应的部件和特征。
34.如前所述，根据现有方法的起动机系统通常包括一个电池(例如12伏(v))，在某些条件下，比如低温(例如低于-20华氏度)，可能不足以起动车辆发动机。理想地，在起动过程中，起动机马达将发动机启动到预定启动速度(例如每分钟100转(rpm))，而发动机随后不会下降到低于最小启动速度(例如20rpm)。对于现有起动机系统，v8发动机在最初达到100rpm后可能会降至4rpm。这可能导致起动质量差，并对已建立的噪声、振动、声振粗糙度(nvh)指标产生负面影响。
35.本文详述的系统和方法的实施例涉及在车辆发动机起动期间增强起动机系统的超级电容。超级电容也称为超级电容器，具有高功率密度。值得注意的是，超级电容在极冷温度下也能有效工作。根据一个或多个实施例，电池可以直接联接到起动机马达或与超级电容串联地与之联接。根据替代实施例，电池总是与超级电容串联地联接到起动机马达。因为从0伏特(v)对超级电容再充电可能是耗时的，所以根据示例性实施例，可以包括直流(dc)到dc转换器，以维持超级电容中的电荷。可替代地或另外，用于给电池充电的发电机也可以给超级电容充电。
36.根据示例性实施例，图1是具有在发动机120起动期间增强起动机系统110的超级电容210(图2)的车辆100的框图。图1所示的示例性车辆100是汽车101。如图所示，车辆100包括起动机系统110和发动机120。在发动机起动期间，起动机系统110的齿轮(未示出)与发动机120的较大齿圈(未示出)啮合，以转动(即启动)发动机120。根据一个或多个实施例，当发动机120在诸如低温的挑战性条件下或在任何时间被起动(即启动)时，起动机系统110被增强以满足建立的nvh度量。车辆100还包括控制器130。
37.如进一步讨论，控制器130可以控制起动机系统110的元件，以根据需要增加起动机系统110。例如，图2、4和5-7中所示的开关s、s2可以是例如由控制器130控制的机械接触器(即电控开关)或固态继电器(即电子开关装置)，如进一步详细描述。控制器130可包括处理电路，该处理电路可包括专用集成电路(asic)、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序的处理器(共享、专用或群组)和存储器、组合逻辑电路和/或提供所述功能的其他合适部件。
38.图2是根据示例性实施例的具有在发动机120起动期间增强起动机系统110的超级电容210的起动机系统110的示意图。示出了起动机系统110的增强部分200。在没有增强部分200的情况下，起动机马达250通过继电器240连接到电池220。根据现有方法和在某些条件下(例如温度不低于阈值)，在发动机120起动期间，电池220单独为起动机马达250供电。根据一个或多个实施例，在发动机120在预定条件下起动期间，控制增强部分200的开关s以将超级电容210与电池220串联连接。例如，多个条件之一可被称为冷启动(例如温度低于-20华氏度，并且车辆100是v8动力卡车)。
39.电池220可以是ln3或ln4电池。“ln”名称后面增加的数字表示增加的安培小时(ah),而且还表示增加的尺寸和重量(例如ln4比ln0、ln1或ln3具有更高的ah)。可以执行电荷平衡分析来选择电池220。电池220可以是12v电池，而超级电容210通过dc到dc转换器215充电到3v。因此，在超级电容210与电池220串联的情况下，起动机马达250可以用15v起动。超级电容210的尺寸及其初始预充电电压可以基于模型模拟(例如在各种温度和不同的发动机起动条件下)来选择。
40.图2中所示的开关s是单刀双掷(spdt)开关，其一个输入端子总是连接到两个输出端子中的一个，标记为断开“o”和闭合“c”。标记断开“o”和闭合“c”用于解释目的。这些标记和相关描述可以颠倒，而不改变起动机系统110的功能。在闭合位置“c”，基于继电器240的配置，开关s配置为将电池220与超级电容210和起动机马达250串联连接。在断开位置“o”，开关s配置为通过继电器240将电池220直接连接到起动机马达250，绕过超级电容210。在不同的情况下，控制器130可以控制开关s处于断开位置“o”。例如，当发动机120在不低于阈值温度的温度下起动时，或者当超级电容210或dc到dc转换器215由于任何故障而不可用时，开关s可被控制在断开“o”位置。
41.图2中还示出了发电机g、负载l、敏感负载sl和转换器230。接地表示为“gnd”。转换器230可以是dc到dc转换器，其控制提供给需要稳定电压的敏感负载sl的电压。当开关s处于闭合位置“c”并且发动机120没有被起动(即起动机马达250没有被供电)时，发电机g可被用来给电池220充电，并且还可以向给超级电容210充电的dc到dc转换器215供电。
42.图3是图2所示的起动机系统110的电路图201。具体而言，起动机马达250、电池220和超级电容210示出为可以在冷启动期间实施的配置(即开关s处于闭合位置“c”,如图2所示)。如图所示，电池220和超级电容210串联连接。电池220和超级电容210的电压分别是v1和v2。基于该布置，起动机马达250处的电压vs将是v1 v2。如前所述，例如，电池220的电压v1可以是12v，超级电容210的电压v2可以是3v。在这种情况下，起动机马达250处的电压vs是15v。由于基于超级电容210的电压增加，与单独的电池220相比，起动机马达250处的扭矩和速度增加。增加的扭矩和速度有助于在条件下更平稳地起动(例如更好的nvh输出),而否则这些条件可能对仅使用电池220的起动机马达250提出挑战。
43.图4是根据示例性实施例的具有在发动机120起动期间增强起动机系统110的超级电容210的起动机系统110的示意图。示出了起动机系统110的增强部分400。如前所述，在没有增强部分400的情况下，起动机马达250经由继电器240连接到电池220，并且电池220根据现有方法在发动机120起动期间并且在某些条件下(例如温度不低于阈值)单独为起动机马达250供电。根据一个或多个实施例，在某些(例如冷启动)条件下(例如当温度低于阈值且车辆100为特定类型(例如具有v8发动机120)时)发动机120起动期间，增强部分400的开关s被控制(例如通过控制器130)以将超级电容210与电池220串联连接。
44.图2所示的开关s是单刀单掷(spst)开关，其输入端子可以连接到或不连接到单个输出端子。与图2所示的实施例不同，图4所示的实施例在超级电容210还没有串联的情况下不便于电池220和起动机马达250之间的连接。也就是说，当开关s处于闭合位置时，基于继电器240的配置，电池220和超级电容210串联连接到起动机马达250。然而，当开关s处于断开位置时，电池220与超级电容器210断开，并且也与起动机马达250断开。因此，根据该示例性实施例，开关s可以仅在超级电容210或dc到dc转换器215由于故障变得不可用时断开。否
则，开关s可以总是闭合，并且超级电容210可以在所有情况下通过起动机马达250增强发动机120的起动。
45.类似于图2中的布置，示出了发电机g、负载l、敏感负载sl和转换器230，并且接地表示为“gnd”。当发动机120未被起动时，发电机g可用于通过dc到dc转换器215给电池220和超级电容210充电。也就是说，在开关s处于断开位置的情况下，例如，在冷启动事件之后，dc到dc转换器215可以由发电机g供电。
46.图5是根据示例性实施例的具有在发动机120起动期间增强起动机系统110的超级电容210的起动机系统110的示意图。示出了起动机系统110的增强部分500。图4和图5的比较表明，图5所示的实施例类似于图4的实施例。然而，根据需要，添加第二开关s2，以便于绕过超级电容210。像开关s一样，第二开关s2是断开或闭合的spst开关。
47.控制器130以协调的方式控制开关s、s2。也就是说，当开关s闭合以将电池220串联连接到超级电容210时，开关s2断开。例如，当开关s由于超级电容210中的故障而断开时，开关s2闭合，以便于电池220和起动机马达250之间经由继电器240的连接。因此，不同于图4中所示的实施例，图5中所示的实施例便于仅用电池220而不是额外的超级电容210给起动机马达250供电。当开关s闭合(并且开关s2断开)时，发电机g可以向dc到dc转换器供电。
48.图6是根据示例性实施例的具有在发动机120起动期间增强起动机系统110的超级电容210的起动机系统110的示意图。示出了起动机系统110的增强部分600。增强部分600包括spst开关s，其在闭合时将电池220串联连接到超级电容210。增强部分600还包括第二spdt开关s2，其便于电池220和起动机马达250之间的直接连接，绕过基于继电器240的超级电容210。也就是说，当开关s闭合以串联连接电池220和超级电容210时，开关s2处于闭合位置“c”。当开关s断开时，开关s2处于断开位置“o”，将电池220连接到起动机马达250，同时绕过超级电容210。在启动事件之后，开关s2可以移动到断开位置“o”，而开关s可以保持闭合。这允许发电机g给超级电容210充电。在发电机g将超级电容210充电到期望水平之后，开关s可以断开，并且开关s2可以移动到闭合位置“c”。
49.与图2、4和5所示的实施例不同，图6所示的实施例不包括给超级电容210充电的dc到dc转换器215。相反，超级电容210由发电机g直接充电。具体地，在增强起动之后，其中电池220和超级电容210串联连接以向起动机马达250供电，超级电容210可以由发电机g再充电。如前所述，对于该增强充电，开关s闭合，并且开关s2处于闭合位置“c”。在增强起动之后，在开关s、s2处于相同位置的情况下，发电机g可以对电池220和超级电容器210进行再充电。
50.图7是根据示例性实施例的具有在发动机120起动期间增强起动机系统110的超级电容210的起动机系统110的示意图。示出了起动机系统110的增强部分700。如在图6所示的实施例中，增强部分700包括可控地串联连接电池220和超级电容210的spst开关s，并且还包括spdt开关s2，其便于在绕过超级电容210的同时将电池220连接到起动机马达250。然而，增强部分700还包括dc到dc转换器215，以维持超级电容210的电荷。dc到dc转换器215可以是小的(例如小于1瓦(w))或者可被定尺寸为提供超级电容210的最大泄漏电流(例如12毫安(ma))。
51.如参考图6所讨论，当开关s断开时，开关s2处于断开位置“o”，将电池220连接到起动机马达250，同时绕过超级电容210。当开关s闭合以串联连接电池220和超级电容器210
时，开关s2处于闭合位置“c”。这表示增强起动。在增强起动之后，开关s可以保持闭合，同时开关s2移动到断开位置“o”,使得发电机g可以给超级电容器210充电，直到电荷上升到期望的水平。
52.图8是根据示例性实施例的具有在发动机120起动期间增强起动机系统110的超级电容210的起动机系统110的示意图。为简单起见，超级电容210示出为与电池220串联连接。然而，可以包括开关s，以可控地将电池220与超级电容器210串联连接，如其他实施例所示。此外，可以包括另一个开关s2，以便于绕过超级电容210，从而经由保险丝f1将电池220连接到起动机马达250。
53.增强部分800不仅包括超级电容210，还包括用于超级电容210的充电电路810。该充电电路包括两个电容器c1、c2、开关t(例如金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet))、二极管d、电感器ind和保险丝f2。充电电路810可以与前面描述的任何实施例一起使用。
54.虽然已经参考示例性实施例描述了上述公开，但本领域技术人员将理解，在不脱离其范围的情况下，可以进行各种改变并且等同物可以替代其元件。此外，在不脱离本公开的实质范围的情况下，可以进行许多修改以使特定的情况或材料适应本公开的教导。因此，意图是本公开不限于所公开的特定实施例，而是将包括落入其范围内的所有实施例。