一种电容器模块的制作方法

本发明涉及一种用于车辆的电容器模块，更具体地，涉及一种系统，在该系统中电容器模块被布置用于连接至用于起动内燃机的电机。

背景技术：

具有内燃机的车辆具有起动器。起动器包括电机，该电机适于转动内燃机的曲轴以将其起动。用于驱动起动器的电机所需的电能从电能储存装置得到。电能存储装置可以是电池。

起动内燃机所需的起动功率或起动能量取决于内燃机的温度。在低温下，由于较高的静摩擦和较大的油粘度，需要的起动能量大于在较高温度下所需的起动能量。另外，特别是在未完全充满的电池或已经老化的电池中，可得到的最大放电电流减小。因此，常规车辆的起动可靠性在低温下减小。

为了增加起动可靠性，已知使用可操作地连接至电机的采取电容器形式的电能存储装置。电容器在起动内燃机之前被充电。电容器具有比电池更低的内阻，并因此能够几乎与温度无关地在起动操作过程中提供大的放电电流。此外，电容器具有能够快速再充电的优点。

此外，车辆具有呈辅助装置(其可以是发动机电力系统和照明装置，诸如灯、音频系统、加热器、空调，等等)形式的多个负载。辅助装置还可由电能储存装置供应电力。此外，包括用于向消耗装置提供电力的电容器和电池的电气系统也是已知的。在操作期间，可能存在来自消耗装置的相冲突的功率需求，并且可能存在例如瞬态的情形，这在某些操作条件下可能导致对某些消耗装置的功率不足。

技术实现要素：

本发明的一个目的在于提供一种电容器模块，其为车辆中的电气系统的改进性能创造了条件。

这一目的由一种用于车辆的电容器模块来实现。其中，所述模块包括：包括可操作地彼此连接的多个电容器单元的电容器；用于连接至供电设备的第一端口；用于连接至用于起动内燃机的电机的第二端口；以及用于接地的第三端口，其特点在于，所述电容器模块包括连接在所述第一端口和所述电容器之间的第一电子装置，并且所述第一电子装置适于允许电流经由所述第一端口从所述电容器模块流出，用于在操作期间在来自所述供电设备的电力供应发生突然的电压降的情形下向至少一个负载供电。

所述电容器可被称为超电容器或超级电容器。

因此，如果在电气系统中发生电流瞬变，导致突然的电压降，则电容器被布置为提供相对较高的电流并保持电压稳定。这样，对于驾驶员而言，可以避免例如颠簸和操作中断的某些不期望的后果。更具体地，所述电容器模块可适于向所述第一端口提供短持续时间的高功率。

更具体地，电容器模块为以任何速度可靠地操作电机(起动器马达)且不会带来系统电压受到负面影响的风险创造了条件。此外，电容器模块为在系统电压中突然出现电压降时用电流同时支持所述系统创造了条件。

在现代车辆中，存在有负载/消耗装置，诸如动力转向装置和/或制动增压器，在某些操作条件下它们可能需要大量的功率，这可能超出了经由供电设备提供的功率，其中存在提供这个额外的功率的需要。12v的电池可以布置用于在这样的操作条件下提供电力，但是可能存在电池不能提供所需电力的情况，诸如如果电池处于低荷电状态或因其他原因而不能适当地工作。

上文所述的适用于经由第二端口的电机(起动器马达)的专用操作的电容器模块还适于允许电流经由第一端口从电容器模块流出，用于在操作期间在来自所述供电设备的电力供应发生突然的电压降的情形下向所述至少一个负载供电。因此，电容器模块可适于在从电压源(dc/dc)到负载的电力供应中发生突然的电压降(瞬变)的情形下自动地向负载(辅助装置)供电。

根据一个示例，第一端口可操作地连接至电容器，第二端口可操作地连接至电容器，并且第三端口可操作地连接至电容器。

根据一种实施方式，所述第一电子装置布置用于在一个方向上相对电流提供低电阻，并在另一个方向上提供高电阻。更具体地，第一电子装置理想地布置用于在该另一个方向上相对电流提供无穷大的电阻。第一电子装置可以被布置成使得其在朝向第一端口的方向上相对电流提供低电阻。

根据另外一种实施方式，所述第一电子装置形成开关，所述开关适于根据指示电压或电流的参数进行自动控制。

根据最后提到的实施方式的进一步改进，所述第一电子装置适于基于系统电压与超级电容器上的电压之间的关系进行自动控制。

根据最后提到的实施方式的进一步改进，所述第一电子装置适于在系统电压低于超级电容器上的电压时自动地接通，并且在超级电容器上的电压低于系统电压时自动地断开。

根据上述进一步改进的一种替代方案，所述第一电子装置适于在到电容器的浪涌电流超过某一预定阈值的情况下自动地断开，但允许从所述电容器至所述电气系统的任何放电电流。

根据最后提到的实施方式的进一步改进，所述第一电子装置包括二极管。由于二极管的结构和功能，它形成一个合适的电气部件，用于在一个方向上相对电流提供低(理想上为零)电阻并在另一个方向上提供高(理想上为无穷大)电阻。二极管可以被定义为主要沿一个方向导电(不对称电导)的双端子电子元件。

根据最后提到的实施方式的进一步改进，第一电子装置包括金属-氧化物-半导体场效应晶体管(mosfet)。由于mosfet的结构和功能，它形成一个合适的电子部件，用于在一个方向上相对电流提供低(理想上为零)电阻并在另一个方向上提供高(无穷大)电阻。

根据另外一种实施方式，所述电容器模块包括连接在所述第一端口和所述电容器之间的第二电子装置，并且其中，所述第二电子装置适用于响应于控制信号分别断开和闭合所述第一端口和所述电容器之间的电连接。更具体地，所述第二电子装置形成开关。

根据最后提到的实施方式的进一步改进，所述第二电子装置连接在所述第一电子装置和所述电容器之间。

根据最后提到的实施方式的进一步改进，第二电子装置包括以背对背关系布置的两个金属-氧化物-半导体场效应晶体管(mosfet)。由于以背靠背关系布置的两个mosfet的结构和功能，这样的布置形成用于提供开关功能的适当的电气部件。

根据另外一种实施方式，所述电容器模块包括连接在所述第一端口和所述电容器之间的第三电子装置，并且所述第三电子装置适于将流入所述第一端口的电流限制到预定水平。

根据本发明的另外一个方面，进一步的目的在于提供一种用于车辆的电气系统，其为改善的性能创造了条件。

上述目的由一种用于车辆的电气系统实现。其中，所述系统包括：供电设备；可操作地连接至所述供电设备的至少一个负载；适于起动内燃机的电机；以及根据前述实施方式中的任一个的电容器模块，其中，所述电容器模块经由第一端口可操作地连接至所述供电设备，用于在操作期间在来自所述供电设备的电力供应发生突然的电压降的情形下向所述至少一个负载供电，并且其中，所述电容器模块经由所述第二端口可操作地连接至所述电机。

根据一种实施方式，所述系统包括可操作地连接至所述至少一个负载以向所述至少一个负载供电的低压电能存储装置。低压电能存储装置可以由电池形成，诸如12v铅酸电池。所述电容器模块可布置成向所述12v电池提供冗余。

根据本发明的另外一个方面，本发明涉及一种包括如上所述的电气系统的车辆。

根据本发明的另外一个方面，进一步的目的在于提供一种用于操作用于车辆的电气系统的方法，其为改善的性能创造了条件。

这一目的通过以下步骤实现：在操作期间维持所述电容器与所述第一端口之间的连接，从而使得电流可以经由所述第一端口从所述电容器模块流出，并且在操作期间在来自所述供电设备的电力供应发生突然的电压降的情形下向所述至少一个负载供电。

根据一种实施方式，该方法包括在起动车辆时建立电容器与第一端口之间的连接的步骤。例如，控制单元可适于在车辆起动时闭合电容器模块中的开关，从而建立连接，其中电容器可以以与板网(boardnet)相同的电压水平充电。

本发明的进一步的优点和有利的特征将在以下描述中和在从属权利要求中公开。

附图说明

参照附图，下面将对作为引用的示例的本发明的实施方式进行更详细的描述

在附图中：

图1是根据本发明的一种示例性实施方式的电气系统的示意图，

图2是根据本发明的一个示例性实施方式的电容器模块的示意图，该电容器模块形成图1中的电气系统的一部分，以及

图3是根据本发明的一个示例性实施方式的、包括图1中的电气系统的车辆的示意图。

具体实施方式

图1是包括呈dc/dc转换器形式的供电设备4的电气系统2的示意图。

电气系统2还包括可操作地连接至供电设备4的至少一个负载6。负载可由辅助装置，例如用于发动机控制、制动和转向的电路形成。此外，负载可以由诸如灯的照明装置、音频系统、加热器、空调、压缩机等形成。

电气系统2还包括适于起动内燃机102的电机8，参见图3。电机8可以由起动器马达形成，该起动器马达具有与可转动地刚性连接至发动机的曲轴的发动机起动齿轮(环形齿轮)啮合的齿轮。同样参见图2，电机8由下文将进行描述的电容器12供电，并且在发动机起动时形成用于驱动或转动曲轴的起动电动机。根据一种可替代的方案，起动器和与发动机的曲轴联接的发电机由同一单元形成，成为一个单个的集成起动器-发电机。

电气系统2还包括电容器模块10，其在图2中更详细地示出。电容器模块10包括电容器12，电容器12包括彼此可操作地连接的多个电容器单元。

电容器12是一种电能存储装置，其被安装成起动器马达的专用动力供应源。电容器12可以由双电层电容器(edlc：electricdoublelayercapacitor)形成，其具有大电容以及在快速充电和放电性能方面的优异特性。例如，该电容器可以通过连接具有2.5v的额定电压的六个双层电容器而形成。根据一种可替代的方案，电容器单元的数量可以小于或大于6个，并且每个单元的额定电压可以不同于2.5v。因此，该电容器可以被充电至15v(＝2.5v*6)。电容器12可以通过串联和/或并联连接多个单元形成。

电容器模块10还包括用于连接至供电设备4的第一端口14、用于连接至用于起动内燃机的电机8的第二端口16、以及用于连接地面20的第三端口18。地面20可以由车辆中的底盘底面形成。

此外，电容器模块10包括连接在第一端口14和电容器12之间的第一电子装置22。第一电子装置22适于允许电流经由第一端口14从电容器模块10流出，用于在操作期间当自供电设备4的电力供应发生突然的电压降的情况下向至少一个负载6提供电力。第一电子装置22被布置用于在一个方向上相对电流提供低(理想上为零)电阻和在另一个方向上提供高(理想上为无穷大)电阻。根据一个示例，第一电子装置包括二极管。根据一个示例，第一电子装置包括金属-氧化物-半导体场效应晶体管(mosfet)。因此，换句话说，第一电子装置形成功率mosfet。

更具体地，第一电子装置22形成开关，该开关适于基于系统电压和超级电容器12上的电压之间的关系进行自动控制。更具体地，当系统电压(经由端口14)低于超级电容器12上的电压时，第一电子装置22自动接通。此外，当超级电容器12上的电压低于系统电压时，第一电子装置22自动断开。

自动断开连接的特性还可以通过电流测量触发，而非通过测量和比较电气系统和超级电容器12上的电压触发。例如，如果浪涌电流超过一定的预定阈值，则断开超级电容器12与电气系统的连接，但允许从超级电容器12到电气系统的任何放电电流。这可以通过采用常用的分流器和电压比较器一起来实现。

电容器模块10经由第一端口14可操作地连接至供电设备4，用以在作期间在来自供电装置4的电源发生突然的电压降的情况下向至少一个负载6提供电力，并且其中，电容器模块经由第二端口16可操作地连接至电机8。

进一步，电容器模块10包括连接在第一输入14和电容器12之间的第二电子装置24。第二电子装置24适用于响应控制信号分别接通和切断第一端口14和电容器12之间的电连接。因此，第二电子装置24形成开关。如虚线34所示，开关24经由来自控制单元32的控制信号控制。第二电子设备24连接在第一电子设备22和电容器12之间。根据一个示例，第二电子设备24包括以背对背的关系布置的两个金属-氧化物-半导体场效应晶体管(mosfet)。

此外，控制单元32还适于为了诊断目的而直接在电容器12上执行模拟电压测量，如虚线36所示。接地连接通过控制单元32的地接。

此外，电容器模块10包括连接在第一输入14和电容器12之间的第三电子装置26，第三电子装置26适于将流入第一端口的电流限制到预定水平。换句话说，第三电子装置26形成充电电流限制电路。例如，第三电子装置26可以包括dc/dc降压变换器(buckconverter，未示出)，其用于将流入第一端口的电流限制到预定水平。第一电子装置22与充电电流限制电路26并联布置。可替代地，第一电子装置22可形成充电电流限制电路26的一部分。

此外，电容器模块10包括可操作地连接至电容器12的单元平衡单元46。该单元平衡单元46适于确保电容器单元保持相同的电压水平以防止单个电容器单元的过早老化。

电气系统2还包括呈电池形式的低压电能存储器28，其可操作地连接至至少一个负载6，用以向至少一个负载提供电力。电池28可以是可再充电的12v电池，其被布置用于为除起动器马达8以外的其它辅助设备供电。例如，使用铅酸蓄电池。换句话说，根据如图1所示的供电系统，12v电池形成12v的系统负载动力源，而电容器则形成起动器动力源。电容器模块10和12v电池28经由dc分支线束30连接至dc/dc转换器4。dc/dc转换器4适于将来自高压电路的几百伏电压转换为12v。

电气系统2还包括起动器继电器38，起动器继电器38连接至起动器马达螺线管40。参见虚线44，发动机控制单元42适于控制起动器继电器。

dc/dc转换器4适用于两个主要功能：将400v直流电从相关联的高压系统48转换成12v直流电，以及将来自高压系统48的电机(未示出)的生成的交流电压转换成400v直流电。当车辆处于电动模式时，400v高压电能存储器，例如锂离子蓄电池组(未示出)，向dc/dc转换器4提供电力以供应12v负载，并且同时向驱动车辆前进的电机提供电力。当发动机启动时，电机向400v电池和dc/dc转换器4两者产生电力。

现在转到讨论电气系统2的操作的一个示例。

当在驾驶期间闭合开关24时，电流可以在任一方向上流过第一端口14。流入第一端口14的电流将被dc/dc降压变换器26限制为50a。从第一端口14流出的电流不受主动的限制，并且将起到稳定板网电压(boardnetvoltage)的作用。

如果发生电流瞬变(例如，来自动力转向系统和/或制动增压器)，而且dc/dc转换器4(或常规车辆中的交流发电机)不能保持电压的稳定，则电容器12有能力作为12v铅酸蓄电池28的冗余，给板网提供大于300a并且保持电压稳定。

当车辆起动时，控制单元32将闭合开关24，并且电容器12将以与板网相同的电压水平充电。当已经达到预定的电压水平时，充电自动终止。

如果电容器12上的电压高于特定的阈值，则允许12v的起动。在12v的起动期间，发动机控制单元42将关闭起动器继电器38，起动器继电器38继而关闭起动马达螺线管40。提供给起动马达8的电流将仅由电容器12通过第二端口16提供，从而杜绝板网电压失稳的可能性。当电容器12上的电压下降时，充电操作将自动开始，从板网抽取最大50a。

如果发生故障，导致电容器12从板网抽取超过50a，则内部熔断器(未示出)将禁止电容器12和起动器马达8的任何进一步的使用，直到其在工厂中被更换。

当车辆处于驾驶模式时或者如果外部充电器(未示出)连接至车辆，开关24将一直闭合。当车辆静止(并没有充电器连接)时，开关将被打开。

控制单元32、42中的每一个可包括一个或多个微处理器和/或一个或多个存储器装置或用于执行计算机程序以控制电气系统并执行本发明方法的任何其它部件。因此，控制单元优选地设置有用于操作该系统并执行上述方法的步骤的计算机程序。此外，控制单元可以是还可用于电气系统的其它功能和/或车辆的任何其它功能的控制器的一部分，或者做为独立的单元提供。

图3是根据本发明的一种示例性实施方式的车辆100的示意图，其中车辆100包括图1中所示的电气系统2。车辆包括内燃机102。电机8适于起动内燃机102。此外，发动机102的曲轴驱动地连接至变速器104，并且变速器的输出轴经由差速齿轮106驱动地连接至左、右车轮。

应当理解的是，本发明不限于如上所述和附图所示的实施方式，而本领域技术人员将认识到，可以在所附权利要求的范围内做出许多改变和修改。

因此，上述系统与具有内燃机的相关。内燃机可以适于提供原动力，用以经由机械传动系提供牵引力。该系统还可以应用在混合动力车辆中，该混合动力车辆是具有两个或更多个诸如内燃机和电力源的动力源的车辆。此外，内燃机可以专用于对电力源进行充电。

如上所述的车辆被描述为客车，但也可以是卡车、公交车、水面船舶、船舶或飞机。