CN101652263A - 用于向负载供电的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

提供了用于控制向负载供电的方法和系统。

Description

用于向负载供电的方法和系统
背景
[0001]本发明总地涉及用于向负载供电的方法和系统，并且更具体地，涉及用于从次电源(secondary power source)向负载供电的方法和系统。
附图说明
[0002]图1是根据本发明示例性实施方案的引擎启动系统的示意性框图。
[0003]图2是根据本发明示例性实施方案的引擎启动系统的示意图。
[0004]图3是根据本发明示例性实施方案的引擎启动电路的示意图。
[0005]图4是根据本发明示例性实施方案的超级电容器启动模块的示意图。
[0006]图5是根据本发明示例性实施方案连接以隔离超级电容器的隔离器控制模块的子系统抽象的示意图。
[0007]图6是根据本发明示例性实施方案连接以使电池与超级电容器隔离的隔离器控制模块的子系统抽象的示意图。
[0008]图7是根据本发明示例性实施方案的超级电容器电压和电池总线电压相对于时间的图，所述图突出显示启动延迟(start-up delay)。
[0009]图8是根据本发明示例性实施方案的超级电容器电压的图，所述图突出显示重新充电断开。
具体实施方式
[0010]基于汽油、柴油或其他燃料工作的引擎可以使用电启动马达(starter motor)来启动。电启动马达可以暂时从诸如电池的储备电源进行工作。启动马达可以在时长足以让引擎成功启动的时间段中工作。次电源(secondary power source)可以附加于电池来为启动马达供电。这样组合的主电源和次电源可以为高功率启动马达供应即使在非常冷的温度条件下也成功启动交通工具引擎或其他引擎(例如发电机)所必须的电流。示例性的次电源包括电容器和电容器阵列。更具体地，一个或更多个电化学双层电容器可以被用作次电源。这样的电容器可以被称为超级电容器。
[0011]诸如超级电容器的次电源可以在除了启动事件期间以及除了在对超级电容器重新充电期间之外故意与主电源隔离。这样的隔离可以确保超级电容器仅在引擎启动期间工作而不是贯穿引擎或交通工具的整个工作时间进行工作。
[0012]此外，诸如超级电容器的次电源可以在启动事件短的初始时段期间故意与主电源隔离。这样的隔离可以被视为启动延迟。在该短暂的初始启动延迟期间，在次电源可以被隔离时，启动马达可以仅由主电源供电。该延迟可以防止在启动马达开始转动时增加的电流量供应到启动马达。防止供应到启动马达的电流的初始增加可以允许在施加增加的电流之前与启动马达相关联的齿轮完全接合。如果没有该启动延迟而施加增加的电流，可能导致启动马达非常快速的加速。该快速的加速以及与启动马达相关联的齿轮之间相关联的速度失配可能足够大而在接合期间导致齿轮的机械损坏。这种现象已经被描述为铣齿(gearmilling)，并且更具体地被描述为铣齿圈(ring gear milling)。
[0013]尽管关于启动延迟讨论了齿轮和铣齿，但是其他用于将来自启动马达、启动致动器或其他启动机构的能量耦合到引擎的接合或传动装置可以与本发明一起工作。一些实施例可以为：皮带、滑轮、轮子、链条、链轮齿、凸轮、操纵杆、离合器或任何其他气动、液压、摩擦、机械或电磁耦合及其任何组合。在所有这些实例中，次电源的启动延迟可以提供更为渐变的启动电流。渐变的启动电流可以允许在施加完全的启动电流之前克服系统内的惯性力和摩擦力。
[0014]现在将参照如附图中所图示的具体示例性实施方案。尽管已经结合这些示例性实施方案描述了本发明，但是将理解，并不打算将本发明限于这些实施方案。相反，意图覆盖可以被包括在如所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内的替代方案、修改和等同方案。在以下的描述中，给出了多个具体细节，以便提供对本发明的透彻理解。可以在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下实践本发明。
[0015]现在转向图1，该图根据本发明的示例性实施方案图示出引擎启动系统100的示意性框图。启动系统100可以包括机械耦合到引擎(未示出)的启动马达102。启动马达102可以包括通过启动马达102的轴可旋转的游星齿轮。该游星齿轮可以被配置为与耦合到引擎的环形齿轮接合。通过这样的耦合，引擎可以在引擎启动之前开始旋转。在引擎启动之后，超速(over-run)离合器可以允许游星齿轮自由自旋，直到游星齿轮脱离环形齿轮。启动马达102通过启动接触体(starter contactor)104接收电能。启动接触体104还可以被称为螺线管或继电器。接触体104从启动电路接收电能。启动电路可以包括钥匙点火开关、按钮启动开关、控制逻辑和/或启动继电器108。
[0016]启动系统100还可以包括超级电容器启动模块(starter module)110和蓄电池112。蓄电池112是主电源，而超级电容器模块110是次电源。超级电容器启动模块110和蓄电池112两者均可以耦合到电池总线113。超级电容器启动模块110可以包括隔离器接触体114和隔离器控制模块116。启动系统100可以包括运载大电流来为启动马达102供能并且用于对超级电容器132重新充电的线缆。启动系统100还可以包括实质上较小电流的运载线。这些较小电流导体传送电压信号信息或接触体驱动电流水平。启动系统100既使用又补偿大电流运载线缆的电阻性。这些线缆是交通工具启动系统的必要部分。
[0017]在操作期间，使用者可以通过间接闭合启动继电器(starter relay)108的接触118来发起引擎启动。在此时，电池总线113上的电压可以被递送到隔离器控制模块116和启动接触体104的控制输入两者。在大约五十毫秒之后，启动接触体104的接触闭合，此时非常大的电流可以通过启动接触体104的接触流经线缆120，最后为启动马达102供能。该大电流的流动导致电池112正端122处大的电压降低。因为启动继电器接触118仍旧闭合，所以该电压降低可以在隔离器控制模块116的节点124被感测到。
[0018]隔离器控制模块116可以在启动继电器接触118闭合的时刻开始大约三十毫秒的启动延迟。启动继电器接触118的闭合允许来自电池112的电压出现在节点124，在此处，该电压可以被隔离器控制模块116感测到。在启动延迟结束时，隔离器控制模块116可以递送电能到隔离器接触体114的线圈125。该线圈的电能出现在隔离器控制模块116的端子126和128上。在向隔离器接触体114的线圈125供能大约五十毫秒之后，隔离器接触体114的接触130可以闭合。隔离器接触体114内接触130的闭合可以允许大电流从超级电容器132流到启动马达102。来自超级电容器132的电流补充递送到启动马达102的电能。超级电容器132正端的电压可以在隔离器控制模块116的节点136被感测到。随着大电流开始流出超级电容器132，节点136处的电压降低，因为超级电容器132的大电流流动通过超级电容器132的有效串联电阻(ESR)并且超级电容器132开始放电。
[0019]当电流从超级电容器132流动时，沿线缆120各点处的电压可能升高。该升高可能是超级电容器132所递送的升压(boost)的结果。该电容器辅助可以在启动马达102已经开始工作大约三十毫秒后开始。该延迟可以基本上减小或者消除铣齿圈。该三十毫秒的延迟还可以是包括零(无延迟)的任何其他持续时长。
[0020]电启动马达102可以包含游星齿轮。游星齿轮的齿可以与环形齿轮啮合。环形齿轮又可以耦合到引擎。当游星齿轮的齿与环形齿轮接合时，启动马达的旋转使引擎旋转并发动。游星齿轮可以在正常时脱离环形齿轮而仅在电启动马达的轴开始旋转时接合环形齿轮。启动马达旋转的初始运动可以推动游星齿轮向前并接合环形齿轮。接合一般可以在游星齿轮已经获得任何适当的旋转速度之前发生。因此，在接合时刻由其速度失配导致的对齿轮齿的机械影响可能不会足够大而导致机械损坏。然而，当结合主电源112使用诸如超级电容器132的次电源时，可能存在供应给启动马达102的非常大的初始电流。这个大电流可能导致启动马达102的轴的非常快速的加速，并且因此导致游星齿轮的非常快速的加速。游星齿轮与环形齿轮的速度失配可能足够大而导致在接合期间对齿轮的损坏。可以通过在主电源首先施加到启动马达102之后使来自超级电容器132的电流向启动马达102的施加延迟短时段来基本上减小或消除这种被称为铣齿圈的损坏。所述短时段的实施例为三十毫秒。
[0021]一旦引擎启动，使用者可以解除驱动启动继电器108，允许继电器接触118开路。接触118的开路可以导致包含节点124的电路成为开路电路。在此时，在节点136感测的电压可以约为就在继电器接触118开路之前曾存在的电压水平。该电压水平可以指示超级电容器132中剩余的能量的量，并且因此与已经从超级电容器132放出多少能量相关。
[0022]在继电器接触118开路之后，隔离器控制模块116可以维持隔离器接触体114的接合。只要节点136处的电压保持低于预定值，隔离器接触体114的接合就可以继续。该预定值是被视为对给定系统的超级电容器132完全充电的电压。因此，在超级电容器132已经被重新充好电之前，允许电流从电池112的正端122流到超级电容器132。注意，隔离器控制模块116的节点137感测作为感测其他电压水平的基础的地电势。
[0023]一旦节点136处的电压增加至预定重新充电值，隔离器控制模块116可以使隔离器接触体114脱离。隔离器接触体114的脱离可以允许隔离器接触130开路。在这点，新近重新充电的超级电容器132可以保持与电池总线113隔离。
[0024]如果引擎在延长的时段内保持未使用，则超级电容器132可能自放电至对于可用来说太低的电压。阻塞二极管138可以允许来自电池112的电流，以维持超级电容器132上的电荷。这可以将超级电容器132上的电压水平维持为大致等于电池总线113的电压。
[0025]现在转向图2，该图是图示具有根据本发明示例性实施方案并且更详细图示出的隔离器控制模块116的引擎启动系统100的示意图。隔离器控制模块116可以提供启动时间延迟以减小铣齿圈。隔离器控制模块116还可以在超级电容器132重新充电至预定电压时感测超级电容器132的电压。一旦感测到所述预定电压，则隔离器控制模块116可以开始将超级电容器132与电池总线113隔离。
[0026]在本系统的一种可能状态下，启动开关可以处于其关闭位置，从而接触118为开路。在该状态下，隔离器控制模块116可以允许在超级电容器132上积累其全部的电荷。在该完全充电状态下，超级电容器132的电压可以大致等于电池总线113的电压。
[0027]一旦超级电容器132被充电，并且节点124为开路电路，则可能未施加电压来使晶体管236偏置为导电状态，因此电阻器232可以将晶体管204的栅极244拉至其源极电压，并且晶体管204可以保持截止。因为晶体管204可以为截止，所以晶体管204的漏极206可以通过隔离器接触体14的线圈电阻被下拉到地电势。因此，晶体管210的栅极208也可以接地并且晶体管210可以为截止。因为晶体管210可以为截止，或者处于非导电状态，所以晶体管214的栅极212可以被上拉到超级电容器132的电压。晶体管214因此可以为截止。处于其截止状态的晶体管214可以被视为与置于地的隔离器接触体114的线圈一致。
[0028]晶体管218的源极端子216连接到超级电容器132的端子电压，所述端子电压可以处于代表完全充电的水平，而晶体管218的栅极220可以通过齐纳二极管222和电阻器224的作用而偏置为导通。晶体管218可以处于导电状态。晶体管218导电的作用一般使晶体管228的栅极226偏置以使其导通。然而，晶体管228的漏极230可以通过隔离器接触体114的线圈被拉到地。因此，晶体管228和晶体管218可以在该时刻点不起作用。齐纳二极管222通过电阻器224偏置，并且晶体管218的栅极220可以偏置在小于超级电容器132的端子电压的电压水平，因为齐纳电压被选择为约十一伏。这里，超级电容器132的端子电压可以为代表完全充电的大约13.5伏。如下面讨论的，晶体管218的作用以及二极管222的齐纳电压值可以决定在重新充电过程中超级电容器132充电所至的电压。
[0029]当启动继电器108被导通时，启动接触体104的线圈可以励磁(energize)，由此闭合启动接触体104的接触。启动接触体104闭合的接触可以允许大电流流出电池112的正端122流到启动马达102。旋转启动马达的负载可能使电池112的电压降低到接近八伏的值。因为隔离器接触体114保持离开(off)，所以没有电流可以从超级电容器132流到启动马达102。电池总线113的可以降低至约8伏的初始电压水平可以通过启动继电器108施加到节点124，并传递到晶体管204的源极端子202和网络电阻器232与234。晶体管236可以在初始时为截止，这是因为晶体管236的栅极238在初始时通过电阻器240处于地电势。当电容器242通过电阻器234充电至晶体管236的栅-源极阈值电压时，晶体管204的栅极244在晶体管236导通时可以被拉至施加的电池总线113的电压之下。晶体管204因此可以导通，并且超级电容器端子节点136上的电压可以施加给隔离器接触体114的线圈。将该电压施加给隔离器接触体114的线圈可以对隔离器接触130进行操作。在与隔离器接触130闭合相关联的延迟时间之后，超级电容器132可以电气连接到电池总线113和启动电路。
[0030]超级电容器132的连接可以使电池总线113的电压增至接近10或11伏。通过与电阻器234和电容器242相关联的时间常数所确定的连接超级电容器132的延迟可以基本上减小或消除铣齿圈。
[0031]正常情况下，使用者可以继续保持启动开关或者将接触118维持在它们的闭合状态，直到引擎启动。这之后，当接触118开路时，隔离器接触体114仍然可以工作，因为晶体管214可以保持导通和闩锁。这种闩锁可以在晶体管218随超级电容器132的电压降低而截止时发生。这可以在接触130闭合时发生。
[0032]可以通过检验晶体管210、228和218的相互影响来理解晶体管214的这种闩锁。在晶体管204导通瞬间，超级电容器端子节点136的电压还可以施加给晶体管214的漏极246，而这又可以以正电压使晶体管210的栅极208偏置。该正电压可以大于晶体管210的栅-源极阈值电压。然而，晶体管228可以将栅极208拉至地电势，将晶体管210保持在截止状态。晶体管214可以保持截止直到晶体管210能够导通。当通过截止的晶体管218的作用来使晶体管228截止时，晶体管214可以导通。当超级电容器132的电压随接触130闭合而降低时，晶体管218可以截止。晶体管210然后可以导通，将晶体管214的栅极212拉至地电势，由此使晶体管214导通。晶体管214可以通过晶体管210、晶体管228和晶体管218的作用来保持闩锁，即使接触118在启动开关被释放并且节点124成为开路电路时开路。
[0033]当启动开关断开时，接触118可以开路，并且晶体管204返回截止状态。如上所述，隔离器接触体114可以通过由晶体管214和晶体管228构成的闩锁来继续操作。
[0034]当对超级电容器132重新充电时，超级电容器132的电压可以增加。当这种情况发生时，晶体管218可以保持截止，即使源极端子216具有向其施加的电压。取决于超级电容器132所经历的放电程度，该电压可以在初始时接近8伏。因为齐纳二极管222的电压可以大于该值，并因此不会产生电流，所以晶体管218的栅极220的电压可以等于源极216的电压，并且晶体管218可以保持截止。在晶体管218截止的情况下，晶体管228可以保持截止，并且晶体管214可以为导通或者继续进行操作。
[0035]可以如下来使接触130开路。当超级电容器端子节点136的电压增加到比齐纳二极管222的齐纳电压高预定量时，随后流过电阻器224的电流可以偏置晶体管218的栅极220以使其导通。晶体管218的源极电压然后可以施加给晶体管228的栅极226，来导通晶体管228。晶体管228导通可以使晶体管210的栅极208接地，来使其截止。在晶体管210截止的情况下，晶体管214的栅极212可以增加至其源极电压，并且晶体管214可以截止。在晶体管214截止的情况下，可以从隔离器接触体114移除电压，并且接触130可以开路。此外，还可以从晶体管228的源极端子248移除电压，这保持晶体管228截止。
[0036]因为存在通过晶体管204的体二极管252的路径，所以二极管250可以用来将电池总线113的电压从启动电路隔离。二极管254可以用来钳位由断开隔离器接触体114的线圈125所造成的反向电压峰值。
[0037]现在转至图3，该图是图示根据本发明示例性实施方案的引擎启动电路300的示意图。与图2中图示的仅当启动继电器108被接合时才工作的启动电路相比，该启动电路300可以对超级电容器132重新充电，而不管启动继电器108的状态。
[0038]电路300包括彼此独立工作并且都致动隔离器接触体114的两个电路。第一电路301包括晶体管302、晶体管304、与晶体管302和晶体管304关联的偏置电阻器308、306和310及电容器312，以及节点314。第二电路316包括晶体管318、晶体管320、比较器322、电压调节器324、偏置电阻器326、328、330、332、334、336、338与340，和电容器342、344与346，以及节点348。
[0039]考虑超级电容器132完全充电的第一和初始状态，启动电路300可以工作如下。在节点314开路(启动开关开路)的情况下，晶体管302和304可以不致动端子126和128处隔离器接触体114的线圈125。然而，第二电路316并不依赖于节点314处的连接，而可以仅依赖于节点348处的电压水平、超级电容器132的端子电压。当超级电容器132的端子电压降低到预定水平之下时，第二电路316导通晶体管318，并由此致动隔离器接触体114。当超级电容器132重新充电并且节点348处的电压电平增加回到预定的完全充电的水平时，晶体管318可以截止。
[0040]无论启动开关的状态，隔离器接触体114都可以被比较器332致动。超级电容器132的端子电压可以偏置电阻器328和332形成的分压器网。当节点350处的电压降低至预定值以下时，比较器322的反相输入端子352处的电压降低至比较器322的非反相端子354处的电压之下。比较器322的这一输入条件可能导致比较器322的输出端子356变为高电平，而这又可以偏置晶体管320的栅极358，从而晶体管320导通并偏置晶体管318的栅极360，晶体管318随后导通。可以通过允许隔离器接触体114致动和闭合接触130的晶体管318将电压传导至节点126。在接触130闭合的情况下，来自电池112的电流可以流过并对超级电容器132重新充电。
[0041]对超级电容器132充电可能导致节点348处的电压增加，直到比较器322的反相输入端子352处的电压超过比较器322的非反相端子354处的电压。此时，比较器322的输出端子356可以切换到低电平，并且晶体管318可以截止。结果是隔离器接触体114的线圈125可以截止，断开超级电容器132与电池总线113的连接。
[0042]如果启动继电器108被致动并且随后的启动事件造成超级电容器132放电，则第二电路316可以如上所述那样工作。另外，超级电容器132的自放电也可以导致比较器322的操作，即使启动继电器108可以保持断开。
[0043]当启动继电器108导通时，启动接触体104的线圈可以励磁，并且启动接触体104的接触可以闭合。大电流可以从电池112的正端122流入启动马达102。电池电压可以下降到约八伏的值。因为隔离器接触体114可以仍旧为离开，因此没有电流从超级电容器132流出。超级电容器132的端子电压可以通过启动继电器108施加到节点348，并且可以传导到晶体管302的源极362以及网络电阻器306和308。晶体管304可以初始为截止，因为晶体管304的栅极364在电池总线电压113通过节点314施加之前初始通过电阻器310而为地电势。当电容器312通过电阻器308充电至晶体管304的栅-源阈值电压时，晶体管302的栅极366可以被拉至低于超级电容器132的端子电压施加的电压，此时晶体管304导通。晶体管302因此可以被导通并且超级电容器132的端子电压可以施加到隔离器接触体114的线圈125，这又操作隔离器接触130。在与隔离器接触130的闭合相关联的延迟时间之后，超级电容器132可以电连接到电池总线113和启动电路。
[0044]超级电容器132的连接可以导致电池总线113的电压增加至大约十或十一伏。可以由恒定与电阻器308和电容器312相关联的时间来决定的连接超级电容器132的延迟可以基本上减小或消除铣齿圈。
[0045]比较器322可以向启动电路提供滞后效应。隔离器接触体114接合时超级电容器132的端子电压值可以为比隔离器接触器114离开时的电压值低的电压值。比较器322可以从电压调节器324获取其供应电压。电压调节器324例如可以为五伏调节器。到电压调节器324的电压输入可以由节点348来供应，其为超级电容器132的电压。电压调节器324可以供应经调节供应总线349上相对稳定的电压。经调节供应总线349可以被用作比较器322后续操作的参考。
[0046]节点350处的电压可以与超级电容器132的端子电压相关，并且连接到比较器322的反相输入352。比较器322可以将节点350处的电压与比较器322的非反相输入354进行比较。非反相输入354处的电压值可以为两个电压的叠和。第一叠加电压可以得自于比较器322在端子368处的供应电压。第二叠加电压可以得自于比较器322在输出端子356处的输出电压。比较器322在节点368处的供应电压可以在整个电路操作中保持恒定，因为它由电压调节器324进行调节。因此，每当比较器322在输出端子356处的输出电压改变时，非反相输入354可以改变。
[0047]因此，非反相输入354电压可以取两个值，一个值针对比较器322的开启状态而一个值针对比较器322的关闭状态。当比较器322的输出电压为零时，非反相输入354电压是这两个值中较低者。在这种情况下，比较器322可以改变状态所在的超级电容器132的端子电压值将是这两个值中较低者。比较器322的状态改变可以接通隔离器接触体114，允许超级电容器132重新充电。
[0048]当比较器322的输出电压为高，即基本上等于供应电压的值时，非反相输入354电压可以取两个值中较高者。在这种情况下，可以导致比较器322改变状态的超级电容器132的端子电压值可以是这两个值中较高者。因此，比较器322的状态改变可以使隔离器接触体114离开，终止超级电容器132的重新充电。
[0049]当隔离器接触体114离开时，超级电容器132端子电压可以在比较器322导致隔离器接触体114接通之前下降到两个状态改变电压值中较低者。当隔离器接触体114被接通时，超级电容器132端子电压可以在比较器322导致隔离器接触体114离开之前上升到两个状态改变电压值中较高者。这两个状态改变电压值可以通过选择电阻器328、332、338、340、334和336的值连同经调节供应总线349的值以及超级电容器132的完全充电电压来决定。
[0050]包括比较器322的该电路可以为视为具有滞后的反相比较器。状态改变发生所在的输入节点电压的两个预定值之间的差可以被视为滞后带。滞后带的中心可以通过平均这两个预定电压值来近似。滞后带的中心可以由电阻器338和340的值连同经调节供应总线349的值来确定。该滞后带可以由电阻器334和336的值以及经调节供应总线349的值来确定。
[0051]在其中电阻器338为20千欧，电阻器340为10千欧，电阻器334为50千欧，电阻器336为1000千欧，并且在节点349处的经调节供应电压为五伏的示例性实施方案中，滞后带中心可以确定为3.289伏。可以计算出滞后带为0.268伏。因此，可以计算出状态改变的上限值为3.423伏而下限值为3.155伏。电阻器328和332可以分压超级电容器132的电压，超级电容器132的所述电压与这些状态改变值进行比较。在该实施例中分压器比率可以为0.263。按该比率分得的两个状态改变值可以分别导致13.0伏和12.0伏的电压值。因此，每当超级电容器的电压下降至12.0伏或更低，该电路就可以对超级电容器132重新充电。每当超级电容器132的电压上升至13.0伏或更高，该电路将停止对超级电容器132的充电。因此，启动电路300可以自动维持超级电容器132的充电而无需所述可选的二极管138。
[0052]现在转向图4，该图根据本发明的示例性实施方案图示出超级电容器启动模块110的示意图。隔离器接触体114的线圈125可以由超级电容器132的电压供能，而不是从电池总线113的电压供能。继电器402可以通过节点126和128操作，所述继电器402又可以操作隔离器接触体114。隔离器接触体114的线圈125一般可能要求预定的最小电压水平和电流水平来进行操作。这样的最小电压水平和电流水平可能并非从电池总线113可获得，因为电池112可以在初始与启动马达102接合时招致大的电压降。继电器402可以被选择为具有相对较低的功率要求，即使当电池112正在启动事件期间招致大的电压降时，该功率要求也将容易地以存在于电池总线113上的电压操作。可替换地，继电器402可以包括低功率开关，例如开路的集电极晶体管开关或固态继电器。
[0053]启动隔离器模块主要可以使充电的超级电容器模块与电池总线113隔离，并且仅在启动期间以及紧接启动之后的时段期间将其连接到总线，同时大电流从电池112流出以对超级电容器132重新充电。可替换地，每当超级电容器132要求重新充电时，超级电容器132可以连接到电池总线113，而不管任何启动事件。在启动事件期间，超级电容器132到电池总线113的连接可以在短的延迟之后发生，以便于防止铣齿圈。超级电容器132从电池总线113的断开可以在超级电容器132的电压达到启动隔离器模块内部的设计参数所确定的最终电压时发生。在超级电容器132从电池总线113断开之后，后续的重新充电电流可以继续通过如之前在图1中示出的可选的二极管。
[0054]现在转向图5，该图根据本发明的实施方案图示用于隔离超级电容器的隔离器控制模块116的子系统框图。隔离器控制模块116可以在功能上被视为具有两个子系统。第一个子系统是重新充电断开电路510。重新充电断开电路510可以起到一旦超级电容器132已经完全重新充电就将超级电容器132与电池112隔离的作用。第二个子系统是连接延迟电路520。连接延迟电路520可以起到在启动事件开始时使超级电容器132与电池112隔离短暂的时段的作用。如之前讨论的，该短暂的启动延迟可以基本上减少或消除铣齿圈。示例性的启动延迟可以为三十毫秒。
[0055]隔离器控制模块116可以通过五个端子或节点124、136、126、128和137与启动电路500的其他部件接口。通过端子137，隔离器控制模块116可以连接到地参考电势。通过端子124，隔离器控制模块116可以在启动继电器108闭合以启动引擎时感测电池112的电压。通过端子136，隔离器控制模块116可以感测超级电容器132的电压。通过端子126和128，隔离器控制模块116可以对隔离器接触体114的线圈励磁。隔离器接触体114可以连接和断开与电池112并行的超级电容器132，以使在启动事件期间通过启动接触体104供应到启动马达102的电流升高。
[0056]现在转向图6，该图根据本发明的示例性实施方案图示用于隔离电池112的隔离器控制模块116的子系统框图。启动电路600几乎等同于图5中图示的启动电路500。一个区别在于超级电容器132和电池112的角色可以在电路500和电路600之间反过来。具体来说，在电路600中，超级电容器132总是可以连接到启动接触体104，而电池112被隔离器接触体114隔离。本领域普通技术人员将意识到，本发明可以被用来隔离主电源或次电源之一而不偏离本发明的范围或精神。
[0057]现在转向图7，该图是超级电容器132的电压和电池总线113的电压相对于时间的图700，其中突出显示根据本发明示例性实施方案的启动延迟。图700包括以时间单位为刻度的x轴，以及以电压单位为刻度的y轴。图700包括指示超级电容器132的电压相对于时间的轨迹720，以及指示电池总线113的电压相对于时间的轨迹710。
[0058]在初始状态下，在时刻零毫秒之前，启动开关可以处于关闭位置，这样接触118为开路，并且隔离器控制模块116在超级电容器132上积累起大约等于电池总线113电压的全电荷。因此，在时刻零之前，这两个电压水平接近相等。
[0059]当启动继电器108在时刻零毫秒导通时，启动接触体104的线圈励磁，并且启动接触体104接触闭合。大电流流出电池112流入启动马达102。电池电压的轨迹710下降到接近六或七伏的值。隔离器接触体114仍旧离开，所以没有流自于超级电容器132的电流。因此，超级电容器132上电压的轨迹720在时刻零时不改变。在大约三十毫秒的短暂启动延迟之后，超级电容器132电连接到电池总线113。在大约三十毫秒的时刻，超级电容器132电压的轨迹720随超级电容器132连接到电池112而达峰值。在该峰值之后，轨迹720图示出随着电池总线113的轨迹710向上升压约三伏而在所述超级电容器132上的电压降。该升压是由于超级电容器132为启动事件供应了额外的电流。延迟的电压升压的该意料之外的功能效力和成本效力可以从坐标图700中所图示出的测试数据意识到。在连接超级电容器132时短暂的启动延迟可以基本上消除或减小铣齿圈。
[0060]现在转向图8，该图是超级电容器电压的图，其中突出显示根据本发明的示例性实施方案重新充电断开。图800包括以时间单位为刻度的x轴，以及以电压单位为刻度的y轴。图800包括指示超级电容器132的电压的轨迹810。图800还包括指示隔离接触体(isolation contactor)114的衔铁的轨迹820(仅以相对单位图示)。
[0061]在时刻零毫秒之前，超级电容器132具有全电荷并且例如处于约十二或十三伏。在大约时刻零，超级电容器132操作来为启动事件升压约二或三秒。在该时段期间，超级电容器132部分放电。轨迹810在时刻零和约二或三秒之间的下降图示出了在启动事件期间的该部分放电。在约二或三秒的时刻，启动继电器108脱离并且超级电容器132开始重新充电。该重新充电继续，直到在超级电容器132上达到预定电压。在此，电压约为十二或十三伏，并且在约十三秒时达到。在此时，超级电容器的充电完成，并且超级电容器如轨迹820所图示的通过在约十三秒处隔离接触体衔铁的断电而脱离。
[0062]应该理解，前述电源供应特征中的一种或更多种可以同时实现，以维持次电源或超级电容器上的全电荷，并且提供主电源电能施加到负载与从超级电容器供能之间的时间延迟。即，可以以二极管、充电电路和比较器的组合来实现充电方法。
[0063]在示例性实施方案中，是相对于内燃机启动马达作为负载来图示电源供应的。然而，应该意识到，本文描述的电源供应概念可以用在其他类型的电源供应系统中，以及与其他类型的负载(例如高能系统)一起使用，其中全功率递送的发起在功率递送到负载的发起之前被延迟一段时间。
[0064]已经描述了一种系统，所述系统包括：电池；次电荷储存设备；电启动马达；可操作来建立和中断所述电池和所述电启动马达之间的电连接的第一开关；可操作来在预定时间延迟之后建立和中断所述电启动马达和所述次电荷储存设备之间的电连接的第二开关；以及被配置来响应于所述次电荷储存设备的电压向所述次电荷储存设备充电的充电电路。
[0065]进一步描述了所述系统，其中所述充电电路包括二极管；其中所述充电电路包括第二开关，所述充电电路被配置为维持所述第二开关闭合，直至所述次电荷储存设备的所述电压基本上等于所述电池的电压；其中所述充电电路包括比较器；其中所述充电电路包括具有滞后的反相比较器电路；其中所述充电电路包括比较器，其中所述比较器接收所述次电荷储存设备的电压作为输入；其中所述次电荷储存设备包括至少一个电容器；并且其中所述次电荷储存设备包括至少一个电池。
[0066]已经描述了一种方法，所述方法包括以下步骤：从电池供应电能到引擎启动马达；从电荷储存设备供应电能到所述引擎启动马达；启动所述引擎；在所述引擎启动之后监控所述电荷储存设备的端子电压；以及当所述电荷储存设备的所述端子电压小于预定阈值时，对所述电荷储存设备充电。
[0067]进一步描述了所述方法，其中，对所述电荷储存设备充电的操作包括通过二极管对所述电荷储存设备充电；其中，从电荷储存设备供应电能到所述引擎启动马达的操作包括在从电池供应电能到引擎启动马达之后在一时间延迟从所述电荷储存设备供应电能；其中，从电荷储存设备供应电能到所述引擎启动马达的操作包括在从电池供应电能到引擎启动马达之后以电阻器和电容器网络所确定的一时间延迟从所述电荷储存设备供应电能；其中，对所述电荷储存设备充电的操作包括，对所述电荷储存设备充电，直至所述电荷储存设备的所述端子电压落入所述电池的端子电压的预定范围内；使用具有通过电池总线供能的线圈的隔离器接触体来隔离所述电荷储存设备；使用具有通过电池总线供能的线圈的继电器以及具有通过所述电荷储存设备供电的线圈的隔离器接触体来隔离所述电荷储存设备；通过在所述引擎空闲时比较所述电荷储存设备的所述端子电压以及对隔离器接触体的线圈进行励磁以闭合所述电池和所述电荷储存设备之间的接触来将所述电荷储存设备维持在完全充电状态；并且其中，从电荷储存设备供应电能到所述引擎启动马达的操作包括从至少一个超级电容器供应电能。
[0068]已经描述了一种方法，所述方法包括以下步骤：从第一电源供应第一部分电流；在一时间延迟之后从第二电源供应第二部分电流；以及当所述第二电源的端子电压大致小于所述第一电源的端子电压时，对所述第二电源充电。
[0069]进一步描述了所述方法，其中所述第一和第二电源在所述时间延迟之后在电气上并行耦合；监控所述第二电源的所述端子电压并电气耦合所述第一和第二电源，从而所述第二电源被所述第一电源充电至基本上等于所述第一电源电压的电压；监控所述第二电源的所述端子电压并且当所述第二电源的所述端子电压小于所述预定阈值时电气耦合所述第一和第二电源，从而所述第二电源被所述第一电源充电；并且其中电能从所述第一电源和所述第二电源的至少之一通过分别的第一和第二开关供应到引擎启动马达，其中对所述第二电源充电的操作包括在所述第一开关开路的情况下通过所述第二开关对所述第二电源充电。
[0070]已经描述了一种包括电源控制电路的系统，所述电源控制电路被配置来控制次电源到电源输出总线的连接，其中所述电源输出总线向负载供电，并且包括被配置来发起电能从所述电源输出总线到所述负载的流动的第一开关；所述电路包括：被配置来将所述次电源电气耦合到所述电源输出总线的第二开关；以及被配置来这样控制所述第二开关的控制模块，使得所述次电源在所述电能从所述电源输出总线到所述负载的所述流动被发起之后一预定时间耦合到所述电源总线，所述控制模块还被配置来基于所述次电源的端子电压将所述次电源维持在充电状态。
[0071]进一步描述了所述系统，其中所述控制模块被配置来接收指示电源启动序列的开始的发起信号；其中所述发起信号是基于所述第一开关的闭合；其中所述控制模块被配置来感测所述次电源的所述端子电压，以控制所述第二开关的操作；其中所述控制模块被配置来基于所述次电荷储存设备的所述电压从所述电源输出总线为所述次电荷储存设备充电；其中所述控制模块包括与所述第二开关并行电连接的二极管；其中所述控制模块被配置来维持所述第二开关处于闭合位置，直至所述次电源的所述端子电压基本上等于所述电源输出总线的电压；其中所述控制模块包括比较器，所述比较器被配置来将所述次电源的所述端子电压与经调节电源的输出电压进行比较；其中所述比较器被配置为，如果所述次电源的所述端子电压小于所述经调节电源的所述输出电压，则生成导致所述第二开关闭合的信号；其中所述次电源包括至少一个电容器；并且其中所述次电源包括至少一个电池。
[0072]已经描述了一种系统，所述系统包括：内燃机；用于启动所述内燃机的电启动马达；电池；次电荷储存设备；可操作来建立和中断所述电池和所述电启动马达之间的电连接的第一开关；可操作来建立和中断所述电启动马达和所述次电荷储存设备之间的电连接的第二开关；被配置来响应于所述次电荷储存设备的电压向所述次电荷储存设备充电的第一控制电路；以及被配置来在所述第一开关闭合后以在所述第一开关的闭合时间和所述第二开关的闭合时间之间的预定时间延迟闭合所述第二开关的第二控制电路。
[0073]进一步描述了所述系统，所述系统包括由所述内燃机供能的交通工具；由所述内燃机供能的发电机；并且其中所述次电荷储存设备包括至少一个超级电容器。
[0074]已经描述了一种系统，所述系统包括：用于主电储存的装置；用于次电储存的装置；用于电启动引擎的装置；用于响应于与所述用于次电储存的装置相关联的电压对所述用于次电储存的装置充电的装置；用于感测何时所述用于主电储存的装置电连接到所述用于电启动引擎的装置的装置；用于响应于感测何时所述用于主电储存的装置电连接到所述用于电启动引擎的装置而提供预定延迟的装置；以及用于响应于所述预定延迟的结束将所述用于次电储存的装置电连接到所述用于电启动引擎的装置的装置。
[0075]进一步描述了所述系统，其中所述用于对所述用于次电储存的装置充电的装置包括，用于对所述用于次电储存的装置充电直至与所述用于次电储存的装置相关联的电压基本上等于与所述用于主电储存的装置相关联的电压的装置。还进一步描述了所述系统，其中所述用于对所述用于次电储存的装置充电的装置包括用于比较电压的装置，其中所述用于比较电压的装置被提供有与所述用于次电储存的装置相关联的电压作为输入。
[0076]已经描述了一种方法，所述方法包括：从电池供应电能到引擎启动马达的步骤；在从电池供应电能到引擎启动马达之后并且在从电荷储存设备供应电能到所述引擎启动马达之前延迟预定时段的步骤；从电荷储存设备供应电能到所述引擎启动马达的步骤；启动所述引擎的步骤；在所述引擎启动之后监控所述电荷储存设备的端子电压的步骤；以及当所述电荷储存设备的所述端子电压小于预定阈值时，对所述电荷储存设备充电的步骤。
[0077]已经描述了一种系统，所述系统包括：内燃机；耦合到所述内燃机并且可操作来启动所述内燃机的电启动马达；电池；次电荷储存设备；可操作来建立和中断所述电池和所述电启动马达之间的电连接的第一开关；可操作来建立和中断所述电启动马达和所述次电荷储存设备之间的电连接的第二开关；被配置来响应于与所述次电荷储存设备相关联的电压向所述次电荷储存设备充电的第一控制电路；以及被配置来在所述第一开关闭合时进行感测并且随后在闭合所述第二开关之前提供预定延迟的第二控制电路。
[0078]尽管已经根据各种具体实施方案描述了本发明，但是本领域技术人员将认识到，可以用落入所附权利要求书的精神和范围中的修改来实践本发明。

Claims (42)

1.一种用于内燃机的启动系统，包括：
电池；
次电荷储存设备；
电启动马达；
可操作来建立和中断所述电池和所述电启动马达之间的电连接的第一开关；
可操作来在预定时间延迟之后建立和中断所述电启动马达和所述次电荷储存设备之间的电连接的第二开关；以及
被配置来响应于所述次电荷储存设备的电压向所述次电荷储存设备充电的充电电路。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述充电电路包括二极管。
3.如权利要求1所述的系统，其中所述充电电路包括所述第二开关，所述充电电路被配置为维持所述第二开关闭合，直至所述次电荷储存设备的所述电压基本上等于所述电池的电压。
4.如权利要求1所述的系统，其中所述充电电路包括比较器。
5.如权利要求1所述的系统，其中所述充电电路包括具有滞后的反相比较器电路。
6.如权利要求1所述的系统，其中所述充电电路包括比较器，其中所述比较器接收所述次电荷储存设备的电压作为输入。
7.如权利要求1所述的系统，其中所述次电荷储存设备包括至少一个电容器。
8.如权利要求1所述的系统，其中所述次电荷储存设备包括至少一个电池。
9.一种启动引擎的方法，包括以下步骤：
从电池供应电能到引擎启动马达；
从电荷储存设备供应电能到所述引擎启动马达；
启动所述引擎；
在所述引擎启动之后监控所述电荷储存设备的端子电压；以及
当所述电荷储存设备的所述端子电压小于预定阈值时，对所述电荷储存设备充电。
10.如权利要求9所述的方法，其中，对所述电荷储存设备充电的操作包括通过二极管对所述电荷储存设备充电。
11.如权利要求9所述的方法，其中，从电荷储存设备供应电能到所述引擎启动马达的操作包括在从电池供应电能到引擎启动马达之后在一时间延迟从所述电荷储存设备供应电能。
12.如权利要求9所述的方法，其中，从电荷储存设备供应电能到所述引擎启动马达的操作包括在从电池供应电能到引擎启动马达之后以电阻器和电容器网络所确定的一时间延迟从所述电荷储存设备供应电能。
13.如权利要求9所述的方法，其中，对所述电荷储存设备充电的操作包括，对所述电荷储存设备充电，直至所述电荷储存设备的所述端子电压落入所述电池的端子电压的预定范围内。
14.如权利要求9所述的方法，还包括使用具有通过电池总线供能的线圈的隔离器接触体来隔离所述电荷储存设备。
15.如权利要求9所述的方法，还包括使用具有通过电池总线供能的线圈的继电器以及具有通过所述电荷储存设备供电的线圈的隔离器接触体来隔离所述电荷储存设备。
16.如权利要求9所述的方法，还包括通过在所述引擎空闲时比较所述电荷储存设备的所述端子电压以及对隔离器接触体的线圈进行励磁以闭合所述电池和所述电荷储存设备之间的接触来将所述电荷储存设备维持在完全充电状态。
17.如权利要求9所述的方法，其中，从电荷储存设备供应电能到所述引擎启动马达的操作包括从至少一个超级电容器供应电能。
18.一种用于供应电能的方法，包括以下步骤：
从第一电源供应第一部分电流；
在一时间延迟之后从第二电源供应第二部分电流；以及
当所述第二电源的端子电压大致小于所述第一电源的端子电压时，对所述第二电源充电。
19.如权利要求18所述的方法，其中所述第一和第二电源在所述时间延迟之后在电气上并行耦合。
20.如权利要求18所述的方法，还包括以下步骤：监控所述第二电源的所述端子电压并电气耦合所述第一和第二电源，从而所述第二电源被所述第一电源充电至基本上等于所述第一电源电压的电压。
21.如权利要求18所述的方法，还包括以下步骤：监控所述第二电源的所述端子电压并且当所述第二电源的所述端子电压小于所述预定阈值时电气耦合所述第一和第二电源，从而所述第二电源被所述第一电源充电。
22.如权利要求18所述的方法，其中电能从所述第一电源和所述第二电源的至少之一通过分别的第一和第二开关供应到引擎启动马达，其中对所述第二电源充电的操作包括在所述第一开关开路的情况下通过所述第二开关对所述第二电源充电。
23.一种电源控制电路，所述电源控制电路被配置来控制次电源到电源输出总线的连接，其中所述电源输出总线向负载供电，并且包括被配置来发起电能从所述电源输出总线到所述负载的流动的第一开关；所述电路包括：
被配置来将所述次电源电气耦合到所述电源输出总线的第二开关；以及
被配置来这样控制所述第二开关的控制模块，即使得所述次电源在所述电能从所述电源输出总线到所述负载的所述流动被发起之后一预定时间耦合到所述电源总线，所述控制模块还被配置来基于所述次电源的端子电压将所述次电源维持在充电状态。
24.如权利要求23所述的电路，其中所述控制模块被配置来接收指示电源启动序列的开始的发起信号。
25.如权利要求24所述的电路，其中所述发起信号是基于所述第一开关的闭合。
26.如权利要求23所述的电路，其中所述控制模块被配置来感测所述次电源的所述端子电压，以控制所述第二开关的操作。
27.如权利要求23所述的电路，其中所述控制模块被配置来基于所述次电荷储存设备的所述电压从所述电源输出总线为所述次电荷储存设备充电。
28.如权利要求23所述的电路，其中所述控制模块包括与所述第二开关并行电连接的二极管。
29.如权利要求23所述的电路，其中所述控制模块被配置来维持所述第二开关处于闭合位置，直至所述次电源的所述端子电压基本上等于所述电源输出总线的电压。
30.如权利要求23所述的电路，其中所述控制模块包括比较器，所述比较器被配置来将所述次电源的所述端子电压与经调节电源的输出电压进行比较。
31.如权利要求30所述的电路，其中所述比较器被配置为，如果所述次电源的所述端子电压小于所述经调节电源的所述输出电压，则生成导致所述第二开关闭合的信号。
32.如权利要求23所述的电路，其中所述次电源包括至少一个电容器。
33.如权利要求23所述的电路，其中所述次电源包括至少一个电池。
34.一种引擎系统，包括：
内燃机；
用于启动所述内燃机的电启动马达；
电池；
次电荷储存设备；
可操作来建立和中断所述电池和所述电启动马达之间的电连接的第一开关；
可操作来建立和中断所述电启动马达和所述次电荷储存设备之间的电连接的第二开关；
被配置来响应于所述次电荷储存设备的电压向所述次电荷储存设备充电的第一控制电路；以及
被配置来在所述第一开关闭合后以在所述第一开关的闭合时间和所述第二开关的闭合时间之间的预定时间延迟闭合所述第二开关的第二控制电路。
35.如权利要求34所述的引擎系统，还包括由所述内燃机供能的交通工具。
36.如权利要求34所述的引擎系统，还包括由所述内燃机供能的发电机。
37.如权利要求34所述的引擎系统，其中所述次电荷储存设备包括至少一个超级电容器。
38.一种用于引擎的启动系统，包括：
用于主电储存的装置；
用于次电储存的装置；
用于电启动引擎的装置；
用于响应于与所述用于次电储存的装置相关联的电压对所述用于次电储存的装置充电的装置；
用于感测何时所述用于主电储存的装置电连接到所述用于电启动引擎的装置的装置；
用于响应于感测何时所述用于主电储存的装置电连接到所述用于电启动引擎的装置而提供预定延迟的装置；以及
用于响应于所述预定延迟的结束将所述用于次电储存的装置电连接到所述用于电启动引擎的装置的装置。
39.如权利要求38所述的系统，其中所述用于对所述用于次电储存的装置充电的装置包括，用于对所述用于次电储存的装置充电直至与所述用于次电储存的装置相关联的电压基本上等于与所述用于主电储存的装置相关联的电压的装置。
40.如权利要求38所述的系统，其中所述用于对所述用于次电储存的装置充电的装置包括用于比较电压的装置，其中所述用于比较电压的装置被提供有与所述用于次电储存的装置相关联的电压作为输入。
41.一种启动引擎的方法，包括：
从电池供应电能到引擎启动马达的步骤；
在电池供应电能到引擎启动马达之后并且在从电荷储存设备供应电能到所述引擎启动马达之前延迟预定时段的步骤；
从电荷储存设备供应电能到所述引擎启动马达的步骤；
启动所述引擎的步骤；
在所述引擎启动之后监控所述电荷储存设备的端子电压的步骤；以及
当所述电荷储存设备的所述端子电压小于预定阈值时，对所述电荷储存设备充电的步骤。
42.一种基于引擎的系统，包括：
内燃机；
耦合到所述内燃机并且可操作来启动所述内燃机的电启动马达；
电池；
次电荷储存设备；
可操作来建立和中断所述电池和所述电启动马达之间的电连接的第一开关；
可操作来建立和中断所述电启动马达和所述次电荷储存设备之间的电连接的第二开关；
被配置来响应于与所述次电荷储存设备相关联的电压向所述次电荷储存设备充电的第一控制电路；以及
被配置来在所述第一开关闭合时进行感测并且随后在闭合所述第二开关之前提供预定延迟的第二控制电路。
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