CN101223056A - 车辆用辅助电源及使用其的车辆用充放电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种车辆用辅助电源具有与输入输出端电连接的第一开关、电容组、放电电阻以及控制部。电容组具有串联连接的多个双电层电容器，以及与各双电层电容器并联连接且分别具有实质上相同的电阻值的多个平衡电阻。电容组和放电电阻与第一开关连接。控制部一边检测电容组的电压和对车辆的点火开关进行操作的点火钥匙的动作状态，并且一边控制第一开关。控制部在车辆的点火开关关闭时控制第一开关，以将电容组连接到放电电阻。

Description

车辆用辅助电源及使用其的车辆用充放电装置
技术领域
本发明涉及汽车上搭载的车辆用辅助电源及使用其的车辆用充放电装置，所述车辆用辅助电源使用双电层电容器并且与例如铅蓄电池一起充放电。
背景技术
近年，汽车的技术革新明显受到地球环境保护趋势的影响。作为此技术的一环，混合动力汽车已有销售。已开发和销售具有下述功能的汽车：当汽车没有行进时，在一定条件下暂时停止发动机，再自动地重新启动的无空转功能。
因为无空转车的发动机再起动时需要大电流，所以会发生车辆用电源的电压瞬时降低的现象。由于此现象，汽车导航系统这样的具有微机控制功能的车载用设备会自动重启。车载用设备自动重启时，用户必须再度进行期望的设定。为解决这样的问题，提出在汽车上搭载使用电池或双电层电容器的备用电路的提案，这样的汽车已在销售。
双电层电容器是支持这项技术的重要部件之一。双电层电容器通常与现有铅蓄电池(以下称为：电池)一起使用。例如(日本)特开平11-122709号公报中提出了使用制动能对双电层电容器进行充电的方法。
另一方面，特开平2-259276号公报提出，双电层电容器与电池串联连接，利用它们驱动启动机以使发动机启动，减轻负荷以提高电池寿命。
但是，在现有发动机启动装置中，车辆停止时的双电层电容器中，在车辆运转时充电的电荷照旧被保留。在此状态下，停止状态持续的话，会向双电层电容器施加大的负荷，从而会使其寿命缩短。从此观点出发，在车辆停止时，优选对双电层电容器中充电的电荷进行放电。另一方面，无空转后的重新启动需要大约12V的电压和几十安的电流。因此，如上述对双电层电容器进行放电时，如果频繁进行重新启动，则铅蓄电池受到大的负荷，而有损使用双电层电容器的效果，从而大幅缩短铅蓄电池的寿命。
现在采用“平衡电路方法”作为串联连接多个双电层电容器进行充电的方法。在此方法中，如图3所示，具有相等电阻值的平衡电阻R101、R102、R103……Rn与各双电层电容器C101、C102、C103……Cn并联连接。由此，各双电层电容器的偏压得以平衡，各双电层电容器上被施加大致相等的电压。
此平衡电路方法中，总是将各平衡电阻连接到各双电层电容器。这样，电路整体构成了封闭环路，所以各双电层电容器中蓄积的电能逐渐通过放电而消耗掉。因此，需要使用晶体管等将平衡电阻并联到双电层电容器，或者从双电层电容器断开。然而，如果完全避免平衡电阻引起的放电，如上述会对双电层电容器施加大的负荷，并且其寿命缩短。
汽车发动机停止后，在点火电源关闭(OFF)，在只有辅助电源开启(ON)的状态下使用汽车导航或电视等时，由电池提供这些动作电流。而且，即使在汽车完全停止的状态，开门关门用的远程控制装置的接收部或时钟等设备中，总有暗电流流动。这些暗电流全部由电池提供。因此，电池的电压慢慢下降。此电池的电压下降的量由双电层电容器中蓄积的电能补充。因此，双电层电容器的电压也慢慢下降。如果电池和双电层电容器两者的电压都下降，那么发动机的启动变难。
发明内容
本发明涉及车辆用辅助电源及使用其的车辆用充放电装置，所述车辆用辅助电源减轻了双电层电容器和电池的负荷，从而延长寿命，并且双电层电容器上不易受到因暗电流引起的负荷。本发明的车辆用辅助电源具有：与输入输出端电连接的第一开关、电容组、放电电阻及控制部。电容组具有串联连接的多个双电层电容器，以及与各双电层电容器并联连接且分别具有实质相同的电阻值的多个平衡电阻。电容组和放电电阻与第一开关相连接。控制部一边检测电容组的电压和对车辆的点火开关进行操作的点火钥匙的动作状态，并且一边控制第一开关。在车辆的点火开关断开时，控制部对第一开关进行控制将电容组连接到放电电阻。这样，控制部使电容组放电，使电容组的电压降低到双电层电容器的寿命不会缩短的第一电压。本发明的车辆用辅助电源中，控制部对第一开关进行控制以控制双电层电容器的充放电。由此，减轻了双电层电容器和电池的负荷，延长双电层电容器和电池的寿命。
附图说明
图1是与电路图一起表示本发明第一实施方式的车辆用充放电装置的结构的模块图。
图2是与电路图一起表示本发明第二实施方式的车辆用充放电装置的结构的模块图。
图3是表示现有电容器充电电路的电路图。
附图标记说明
1    发动机
2    发电机
3    启动机马达
4    启动继电器
5    电池
6    备用电路
7    电容组
8    第一开关
9    第二开关
10   控制部
11   放电电阻
12   DC/DC转换器
具体实施方式
(第一实施方式)
图1是与电路图一起表示本发明第一实施方式的车辆用充放电装置的结构的模块图。本实施方式车辆用充放电装置具有：发电机2、电池5以及由电容组7、第一开关8和控制部10构成的车辆用辅助电源。
发电机2和发动机1联动而被驱动。启动机马达3启动发动机1。通常由铅蓄电池构成的电池5，通过启动继电器4向启动机马达3供电。备用电路6通过启动继电器4对启动机马达3提供紧急时的备用能量。电容组7由多个双电层电容器连接构成。
第一开关8与电容组7的输入输出端电连接。电容组7通过第一开关8与发电机2、启动继电器4、电池5、备用电路6相连接。利用第一开关8的动作，将电容组7切换连接到与电池5或启动继电器4连接的输入输出端，或者连接到放电电阻11。第一开关8只要是进行切换的器件就可以，不限于特定方式。例如，可以使用机械开关、半导体开关等。
电容组7由C1～C21所示21个双电层电容器构成，每7个串联连接为1单元，将这3单元并联连接。即，C1～C7、C8～C14、C15～C21所示每7个双电层电容器分别串联连接，构成14V的单元，这些串联单元再被并联连接。或者如C1、C8、C15那样每3个双电层电容器被并联连接，构成7个并联单元，再将此7个并联单元串联连接。
双电层电容器C1～C21例如是下述结构。首先，将外部引出用的引线连接到厚度为20～50μm的刻蚀的铝箔。另一方面，利用分散媒与将活性炭粉末和规定的结合剂、导电剂混合调制得到的混合粉末，制作成膏体。在上述铝箔上涂布此膏体以形成导电层，其上再形成以活性炭作为主要成分的活性炭层。这样就形成极化电极。将这样制作的一对极化电极，以间隔隔膜方式进行卷绕，其中所述一对极化电极相对，而形成电容器元件。在此电容器元件中含浸了电解液后，插入到铝容器中，将此铝容器的开口部密封。这样制成双电层电容器C1～C21。
双电层电容器C1～C21的耐电压由其电解液的种类决定。根据此耐电压决定双电层电容器的额定电压。对于在电解液中使用碳酸亚丙基酯(propylenecarbonate)等的非质子性溶剂(aprotic solvent)的情况，1个双电层电容器的额定电压通常在2～3V的范围内。
平衡电阻Z1～Z35具有相同电阻值，3个具有被并联连接的7个双电层电容器的串联单元中，每个双电层电容器分别与5个平衡电阻并联连接。或者，具有被并联连接的3个双电层电容器的并联单元中，每个并联单元与每5个平衡电阻并联连接。另外，平衡电阻Z1～Z35的种类并没有被特别限定。可以用片式或引线式的电阻。
电容组7包含第二开关9。第二开关9分别设置在3单元并联连接的7个双电层电容器以及与双电层电容器并联连接的5个平衡电阻之间。另外，双电层电容器与平衡电阻之间设有7个开关，方便起见，在此将所有开关称为第二开关9，这7个开关联动。第二开关9与第一开关8一样，只要能进行切换，不限于特定方式。
控制部10一边检测电容组7的电压和点火钥匙(ignition key)的动作状态，并且一边控制第一开关8和第二开关9，所述点火钥匙对搭载有车辆用辅助电源的车辆的点火开关进行操作(均未图示)。由此，控制部10控制电容组7的充放电。电容组7、第一开关8、控制部10和放电电阻11组成车辆用辅助电源。
说明具有上述结构的本实施方式的车辆用充放电装置的作用。首先，说明电池5中蓄有充足的电量，启动发动机1时的情况。旋转未图示的点火钥匙，启动继电器4工作(ON)，然后一旦启动继电器4进入导通状态，电池5供电以驱动启动机马达3。由此旋转发动机1，发动机1持续工作。在发动机1启动时，为了驱动启动机马达3，电池5需要提供大约600A的电流。
接着，说明发动机1工作中进行的充电动作。发电机2与发动机1的旋转联动而被驱动。发电机2中发出的电力在对电池5充电的同时，也向电容组7充电。且，在车辆行进时，刹车以停止汽车时发生的制动能量最大是200A这样极大的能量。因此，电池5不能将其全部充入。因此，这样大的制动能量绝大部分对电容组7充电而再利用。
电容组7中，双电层电容器的各并联单元与每5个具有相同电阻值的平衡电阻并联连接。所以，在电容组7被充电时，各并联单元被施加大致相等的电压。
无空转后发动机1再起动时，第一开关8将电容组7直接连接到电池5。所以，如上述那样充电的电容组7的能量被供给启动机马达3。电容组7的能量被提供给备用电路6作为紧急备用能量。
这样使用电容组7时，在车辆停止时，只要电容组7处于满充电状态就能提供充足的电力。但是，以此状态，停止状态持续时，双电层电容器承受大负荷并且其寿命缩短。因此，控制部10控制第一开关8，将电容组7连接到放电电阻11，以使电容组7放电，将各双电层电容器放电后，蓄电量下降，电容组7的电压降低到规定的第一电压。此第一电压是双电层电容器不发生寿命劣化的电压，通过放电直到第一电压能抑制双电层电容器的寿命缩短。本实施方式中，控制部10将第一开关8连接到放电电阻11侧，直到每一个双电层电容器单元的电压降低到其额定电压2.5V的60％，即1.5V时。换言之，控制部10将第一开关8连接到放电电阻11侧，直到电容组7的电压下降到10.5V为止。
电容组7中，双电层电容器的各并联单元中并联连接有每5个具有相同电阻值的平衡电阻。因此，电容组7被放电时，各并联单元的电压大致相等地下降。
之后，如果电容组7的电压成为第一电压，控制部10控制第一开关8，使双电层电容器连接到电池5侧(ON状态)。换言之，如果电容组7的电压成为10.5V，控制部10控制第一开关8，使电容组7连接到与电池5连接的输入输出端侧。
另外，每一个双电层电容器单元的电压为1.5V且电容组7的电压为10.5V的车辆停止时，第一开关8优选处于中立状态。换言之，控制部10优选控制第一开关8，使从电压为第一电压的电容组7到输入输出端和放电电阻11的连接断开。在此状态下，向车辆搭载设备提供暗电流的不是电容组7，而只是电池5。换言之，电容组7的各双电层电容器处于自放电状态。在此情况下，控制部10在检测到点火钥匙使点火开关接通的动作时，在启动继电器4进入导通状态之前控制第一开关8。于是，将电容组7连接到与电池5连接的输入输出端。
且，优选的是，控制部10也控制第二开关9。下面将控制部10控制第二开关9的动作与控制部10对第一开关8的控制一并进行说明。车辆运动中，第一开关8和第二开关9都处于ON状态。控制部10监视车辆的点火开关(未图示)的接通-断开(ON-OFF)状态。并且，如果车辆停止时，即用户旋转点火钥匙以使点火开关断开，那么控制部10控制第一开关8，将电容组7连接到放电电阻11，使电容组7放电。此外，当每个双电层电容器单元的电压为1.5V，电容组7的电压为10.5V时，控制部10使第一开关8处于中立状态。然后，或者同时，控制部10使第二开关9处于OFF状态。这样，只有在构成电容组7的多个双电层电容器各自的电压平衡并且车辆的点火开关断开时，第二开关9才被控制。
车辆进入停止状态时，第二开关9依然在ON状态。而且如上所述，直到降低到为不使双电层电容器的寿命劣化的第一电压的1.5V为止，使满充电的能量快速放电。而且，如果每一个双电层电容器单元的电压为1.5V且第一开关8在中立状态的话，第二开关也断开，各双电层电容器处于自放电状态。
在此情况下，控制部10检测点火钥匙的动作，在启动继电器4进入导通状态之前使第二开关9处于ON状态后，或者同时，使第一开关8接通。换言之，控制部10控制第二开关9，使各双电层电容器和平衡电阻连接，然后，或者同时，控制第一开关8，使电容组7连接到与电池5连接的输入输出端。通过反复进行这样的动作，使得构成电容组7的各双电层电容器的电压大致保持为第一电压，即1.5V。
此外，如果电容组7的电压是规定的第二电压，控制部10也可以控制第一开关8，使双电层电容器连接到电池5侧。此第二电压是比第一电压低的、且启动发动机1所需最低限度的电压。例如，每一个双电层电容器单元的电压是以额定电压2.5V的24％，即0.6V为阈值。换言之，如果电容组7的电压成为4.2V，控制部10控制第一开关8，使电容组7连接到与电池5连接的输入输出端侧。
控制部10优选也控制第二开关9。下面将控制部10对第二开关9进行控制时的动作与控制部10对第一开关8的控制一并进行说明。车辆运行中，第一开关8和第二开关9都是ON状态。车辆停止时，即用户旋转点火钥匙使点火开关断开时，控制部10控制第一开关8，使电容组7连接到放电电阻11，使电容组7放电。而且，当每一个双电层电容器单元的电压为1.5V，电容组7的电压为10.5V时，控制部10使第一开关8处于中立状态。然后，或者同时，控制部10使第二开关9成为OFF状态。
车辆进入停止状态时，第二开关9依然处于ON状态。而且如上所述，直到降低到为不使双电层电容器的寿命劣化的第一电压的1.5V为止，使满充电的能量快速放电。而且，如果每一个双电层电容器单元的电压为1.5V且第一开关8为中立状态的话，那么第二开关也断开，各双电层电容器处于自放电状态。
此外，如果每一个双电层电容器单元的电压降低至第二电压0.6V，控制部10将此检测出来，使第二开关9为ON状态后或者同时，接通第一开关8，由电池5对双电层电容器充电至规定的电压1.5V以上。通过反复进行这样的动作，使构成电容组7的各双电层电容器的电压保持在第一电压1.5V与第二电压0.6V之间。
如上述，因为控制部10对第一开关8和第二开关9进行控制，各双电层电容器上不会施加大负荷。因此，寿命的缩短被抑制。并且，即使在车辆起动电池电压降低时，通过将电容组7串联连接到电池5，能够向双电层电容器提供能量。因此，能够大幅提高作为车辆用充放电装置的性能。
这样，本实施方式车辆用辅助电源中，电容组7中设有第二开关，并且电容组7的输入输出端设有第一开关8，控制部10控制对各双电层电容器的充放电。利用这样的结构，构成电容组7的双电层电容器和电池5的负荷得以减轻。从而，使双电层电容器和电池5寿命延长。并且，因为双电层电容器中难于施加暗电流引起的负荷，所以提高了发动机1的启动可靠性。
而且，在将电容组7与电池5直接连接以驱动启动机马达3之时，能够将电压提高到2倍。因此，即使电池5中蓄积的电量少，也能可靠地启动发动机1。
本实施方式中，电容组7是以7串联3并联的结构为例进行的说明，即将7个双电层电容器串联连接得到14V为1单元，将3单元并联连接。然而，本发明并不受此限定。根据用途改变电容组的结构，也能取得同样的效果。同样，构成电容组7的平衡电阻，根据用途改变其结构，也能取得同样的效果。
而且，是以双电层电容器不会发生寿命劣化的电压为第一电压，规定的电压是额定电压的60％进行说明。且，以启动发动机1所需最低限度的电压为第二电压，规定的电压是额定电压的24％进行说明。然而，本发明并不限于此电压设定。
(第二实施方式)
图2是与电路图一起表示本发明第二实施方式的车辆用充放电装置的结构的模块图。本实施方式与第一实施方式的不同点是，启动继电器4和开关8之间设有DC/DC转换器12。换言之，DC/DC转换器12设于电容组7的输入输出端和第一开关8之间，以提高输出电压。除此之外的基本结构与图1相同，与第一实施方式相同的结构用相同的标记，省略详细的说明。
与发动机1旋转联动而被驱动的发电机2输出的电力对电池5充电，并且通过DC/DC转换器12对电容组7充电。而且，当利用电容组7中蓄积的电力驱动启动机马达3时，能够利用DC/DC转换器12将双电层电容器的电压提高而输出。因此，启动机马达3上被施加电池5的电压和被升压的双电层电容器的电压。由此，能够更可靠地启动发动机1。
如上述本实施方式中，与第一实施方式相同，因为各双电层电容器上不会有大负荷，所以双电层电容器的寿命缩短得以抑制。且，即使车辆起动时电池5的电压下降，通过将电容组7与电池5直接连接，能够向双电层电容器提供能量。而且，利用DC/DC转换器12提高双电层电容器的电压，能够更可靠地启动发动机1。
工业利用可能性
本发明的车辆用辅助电源，能够减轻双电层电容器以及电池的负荷，并延长其寿命。双电层电容器中不易因暗电流引起负荷。应用此车辆用辅助电源的本发明车辆用充放电装置，可用于混合动力汽车或具有无空转功能的汽车等。

Claims (8)

1.一种车辆用辅助电源，包括：
第一开关，其与输入输出端电连接；
电容组，其与所述第一开关连接，包括：
串联连接的多个双电层电容器；以及，
多个平衡电阻，其与各双电层电容器并联连接，各自具有实质上
相同的电阻值，
放电电阻，其与所述第一开关连接；以及，
控制部，其一边检测所述电容组的电压以及对搭载有所述车辆用辅助电源的车辆的点火开关进行操作的点火钥匙的动作状态，并一边对所述第一开关进行控制，
当所述车辆的点火开关断开时，所述控制部对所述第一开关进行控制，将所述电容组与所述放电电阻相连接，以使所述电容组放电，使所述电容组的电压降低到所述双电层电容器的寿命缩短被抑制的第一电压。
2.根据权利要求1所述的车辆用辅助电源，其中，
所述电容组的电压成为所述第一电压时，所述控制部对所述第一开关进行控制，将所述电容组与所述输入输出端相连接。
3.根据权利要求1所述的车辆用辅助电源，其中，
当所述电容组的电压成为所述第一电压时，所述控制部对所述第一开关进行控制，将从所述电容组到所述输入输出端和所述放电电阻的连接断开，
当所述点火钥匙被动作以使点火开关接通时，所述控制部对所述第一开关进行控制，将所述电容组与所述输入输出端相连接。
4.根据权利要求3所述的车辆用辅助电源，其中，
所述电容组还具有第二开关，所述第二开关设于各个双电层电容器与平衡电阻之间，
在所述第一开关将从所述电容组到所述输入输出端的连接断开后立即或者同时，所述控制部控制所述第二开关使所述各双电层电容器与所述各平衡电阻的连接断开；在所述第一开关即将将所述电容组连接到所述输入输出端之前或者同时，所述控制部控制所述第二开关使所述各双电层电容器与所述各平衡电阻连接。
5.根据权利要求1所述的车辆用辅助电源，其中，
当所述电容组的电压成为所述第一电压时，所述控制部对所述第一开关进行控制，将从所述电容组到所述输入输出端和所述放电电阻的连接断开，
当所述电容组的电压成为比所述第一电压还低的第二电压时，所述控制部对所述第一开关进行控制，将所述电容组与所述输入输出端相连接。
6.根据权利要求5所述的车辆用辅助电源，其中，
所述电容组还具有，在各个双电层电容器和平衡电阻之间设置的第二开关，
当所述第一开关将从所述电容组到所述输入输出端的连接断开后立即或者同时，所述控制部对所述第二开关进行控制，将所述各双电层电容器与所述各平衡电阻的连接断开；所述第一开关即将将所述电容组与所述输入输出端相连接之前，所述控制部对所述第二开关进行控制，将所述各双电层电容器与所述各平衡电阻相连接。
7.根据权利要求1所述的车辆用辅助电源，还包括，
所述第一开关和所述输入输出端之间连接的DC/DC转换器。
8.一种车辆用充放电装置，包括：
根据权利要求1所述的车辆用辅助电源；
与所述车辆用辅助电源的所述输入输出端电连接的电池；以及，
与所述车辆用辅助电源的所述输入输出端和所述电池电连接的发电机。
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