CN104081618A - 用于管理电容器系统的劣化状态的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本公开内容提供用于管理电容器系统的系统、方法和设备。一方面，能量存储系统包括：电容器系统、充电电路、和控制器。该电容器系统包括一个或多个电容器。该充电电路被配置为将电容器系统充电到第一目标电压。该控制器被配置为检测第一条件并响应于所述第一条件被编程以指示充电电路将电容器系统充电到小于该第一目标电压的第二目标电压。该控制器被编程为提供电容器系统正操作在劣化状态下的通知。

Description

用于管理电容器系统的劣化状态的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2011年11月15日提交的题为“SYSTEM ANDMETHODS FOR MANAGING A DEGRADED STATE OF A CAPACITORSYSTEM”的美国临时专利申请号61/560,221和于2011年11月15日提交的题为“SYSTEM AND METHODS FOR CONTROLLING VOLTAGE INA CAPACITOR SYSTEM WITH RESPECT TO TEMPERATURE”的美国临时专利申请号61/560,227的优先权。这些先前申请的公开内容被认为本申请的一部分并且通过引用将其全部内容并入本文。
技术领域
本公开内容一般涉及用于管理能量存储系统(诸如电容器系统)的系统和方法。更具体地，本公开内容涉及在劣化状态下操作电容器系统。
背景技术
已知有许多不同类型的能量存储系统，诸如包括电池或电容器的系统。这种传统的能量存储系统可被实施以向其它系统(诸如商用卡车中的启动电机)提供电力。拥有和操作这些系统是昂贵的，并且因此，有利的是减少由于故障事件而可能发生的停机时间，这些故障事件的发生与能量存储系统有关。
然而，当这种故障事件发生时，传统的能量存储系统一般会变得完全不可操作，这反过来又使得由能量存储系统供电的装置停用。
发明内容
本公开的系统、方法和装置各具有一些创新方面，其单独一个均可仅负责本文所公开内容的期望属性。
本公开中所描述的主题的一个创新方面可被实施成一种能量存储系统，包括：电容器系统、充电电路和控制器。电容器系统包括一个或多个电容器。充电电路被配置为将电容器系统充电到第一目标电压。控制器被配置为检测第一条件并响应于第一条件被编程以指示充电电路将电容器系统充电到小于第一目标电压的第二目标电压。控制器提供电容器系统正操作在劣化状态下的通知。
本公开中所描述的主题的另一个创新方面可被实施成一种操作基于电容器的能量存储系统的方法。方法包括：提供控制器和包括至少一个电容器的电容器系统。方法包括：利用充电电路将电容器系统中的至少一个电容器充电到第一目标电压。方法包括：利用控制器检测电容器系统的条件。方法包括：基于条件确定是否将电容器系统置于劣化状态下。方法包括响应于条件将至少一个电容器的电荷降低到第二目标电压。方法包括提供至少一个电容器被充电到第二目标电压的通知。
本公开中所描述的主题的另一个创新方面可被实施成包括电容器系统、充电装置、检测装置、电荷降低装置和通知装置的能量存储系统。电容器系统包括一个或多个电容器。充电装置用于将电容器系统中的至少一个电容器充电到第一目标电压。检测装置利用控制器检测反映所述电容器系统的劣化状态的条件。电荷降低装置用于响应于条件将至少一个电容器的电荷降低到第二操作电压。通知装置用于提供至少一个电容器被充电到第二操作电压的通知。
本公开中所描述的主题的另一个创新方面可被实施成包括电容器系统、充电电路和控制器的能量存储系统。电容器系统包括一个或多个电容器。电路被配置为将电容器系统充电到第一目标电压。控制器被配置为检测电容器系统的温度条件。控制器被编程以在所检测的温度条件在较高温度条件和较低温度条件之间时将电容器系统充电到随温度变化的第二目标电压。
本公开中所描述的主题的一个或多个实施的细节阐述于附图和以下具体实施方式中。虽然本公开中提供的实施方式仅在车辆系统或内燃机系统方面来主要描述，但是本文所提供的构思可应用于其他类型的能量存储系统或者实施能量存储系统的其他系统。通过具体实施方式、附图和权利要求书，其它特征、方面和优点将变得显而易见。应注意，以下图的相对尺寸可能不按比例绘制。
附图说明
图1是示出在内燃机系统内实施的能量存储系统的实施方式示意框图。
图2是示出控制器的实施方式的系统框图。
图3是示出用于一组电容器的平衡电路的实施方式的示意图。
图4是示出根据实施方式的操作能量存储系统的方法的流程图。
图5是示出根据实施方式的操作能量存储系统的方法的流程图。
图6是示出根据实施方式的随温度的函数变化的电容器电压的曲线图。
各个附图中的相同的参考标号和标记指示相同的元件。
具体实施方式
本发明的实施方式涉及用于管理电容器系统在劣化状态下操作的系统和方法。在一些实施方式中，电容器系统包括一个或多个电容器，其中多个电容器被布置成电容器组或集。本文中所描述的本发明的实施方式可包括用于管理可向车辆(诸如汽车或卡车)提供基于电容器的电力的有效操作的系统和方法。例如，所述装置可包括一组或多组电容器并被配置为将启动发动机电力提供给汽车或卡车。在一个实施方式中，装置被配置为仅具有电容器并连接到将充电电力提供给电容器的一个或多个车载电池。在另一个实施方式中，装置本身包括可安装到汽车或卡车的一个集成单元中的电池和电容器。集成单元可通过将其连接到车辆的起动机而将充电电力提供给车辆。
在一个实施方式中，电容器系统可被配置为不仅操作在完全加电状态(powered state)，而且也操作在劣化加电状态，其中，系统内的电容器未被充电到其全电位。系统可响应于检测的可能造成电容器系统损坏的危险性增加事件将电容器充电到降低的加电状态。例如，系统在一个活多个监控装置或系统内被检测的装置是无功能的或部分发挥功能时可进入其中仅电容器仅被充电到其满容量的百分比的劣化状态。作为一个实例，如果装置内的温度传感器发生故障时，系统可能仅将组内的电容器充电至其满额定充电电位的90％。因为某些类型的电容器在较低电压下更耐受高温，这可防止系统过热。
在另一个实施方式中，电容器本身可以是无功能的或部分发挥功能，也导致在劣化加电状态下操作该系统的确定。在一些实施方式中，由于其它条件(诸如温度)，电容器在降低的加电状态下将经历较低故障率。出于这个原因，电容器系统可包括一个或多个软件、固件、或被配置为检测和操作劣化状态下的电容器系统的硬件模块，其中，电容器在非正常情况下被充电到低于其最大额定电压的电压。例如，系统可被配置为检测与基于电容器的充电系统相关的条件并基于该检测采取动作。在一些实施方式中，动作可以是调整在充电电容器系统中的一个或多个电容器时所使用的目标电压。
系统还可向用户或驾驶员提供关于所检测的条件和/或相对条件所采取的动作的反馈或通知。在一些实施方式中，一个或多个电容器的目标电压可被调整到较低操作电压，其允许电容器系统在劣化状态下操作，同时仍然对另一装置提供至少部分功能。例如，较低操作电压可允许电容器系统向商用卡车中的起动电机提供起动发动机系统的至少足够电力。然而，在劣化状态操作期间提供给起动电机的电量可被选择为使得它将劣化状态操作通知驾驶员。例如，在劣化状态操作中，响应于特定事件，电容器系统可被设置为将电容器充电到其正常目标电压的90％。该充电量仍然可运转卡车起动电机，但比电容器系统在其全状态下运行的时候更慢。起动电机的这种较慢转动，或其“发声签名”的相应改变会被驾驶员检测到，该驾驶员因此被通知电容器系统正操作在劣化状态下。
在一些实施方式中，额外动作或输入的请求可被提供以响应于对驾驶员的反馈或通知。例如，输入或额外动作的请求可重新设置本文所描述的系统，以将电容器系统从劣化操作状况返回到正常操作状态。
在又一实施方式中，一个或多个电容器的电压可随所检测的温度的函数来控制。例如，控制器可控制充电电路，以在电容器低于第一较低温度时将电容器系统充电到第一目标电压，并在电容器高于第二较高温度时充电到第二较低目标电压，且电压的过渡随较低温度与较高温度之间的温度的函数近似线性改变。这样的温度控制可在不同温度下提高电容器系统的性能，同时提高电容器寿命。
在一些实施方式中，电容器系统可包括：控制器，其被配置为与电容器系统进行交互以提供本文中所描述的功能。本文中所描述的本发明的实施方式可包括任何数量的不同软件、硬件、固件、电子电路、控制器、计算机(包括手持式计算装置)、微芯片、集成电路、印刷电路板、和/或已知的或本文中所描述的其它微电子元件、或它们的组合、及其相关的方法，适合于提供本文中所描述的功能。此外，可通过任何合适的电子、机械、气动、液压、和/或其它元件和/或系统、或它们的组合、及其相关的方法来提供本文中所描述的用于管理电容器系统的功能。
在本文中所描述的用于管理电容器系统中的一个或多个电容器的元件和/或系统可分立地或集成地与电容器系统形成。在一些实施方式中，元件和/或系统可利用形成电容器“组”的多个电容器来实施。电容器组(bank)内的电容器可串联连接、并联连接、或以串并联连接的电容器的任何矩阵组合连接。本文中所描述的系统中的电容器或其它元件的特定数量仅用于说明目的。此外，虽然本文在车辆上下文中描述了用于管理电容器系统的系统和方法的实施方式，诸如商用卡车，但是它们不限于任何特定类型的车辆或系统。
本文中所描述的系统和设备的一些实施方式可被配置为与除电容器或商用卡车系统之外的额外或替代的系统交互和/或向其提供功能。例如，本文的实施方式可由使用内燃机的其它系统(诸如船或汽车)实施或在其内实施。本文中所描述的系统和方法的实施方式可由使用电容器系统的非车辆系统(诸如用于产生电力的发电机)来实施或在其内实施。在一些实施方式中，系统和设备可以与包括发动机、交流发电机、电池系统和/或起动机系统的内燃机系统的组合来实施。一些实施方式可被配置为被用作车辆电池系统中的一个或多个电池的简易替换，诸如国际电池理事会(BCI)组31或其它尺寸电池。例如，系统可适应约330mm长、约173mm宽和约240mm高(包括端子)的空间包封内。在一些实施方式中，本文中所描述的能量存储系统可被配置为提供约200法拉到约2500法拉范围之间的电容、或更窄地，约300法拉到约1000法拉范围之间的电容，或更窄地，约500法拉至约1000法拉范围之间的电容。在一些实施方式中，本文所述的能量存储系统可以被配置为提供约1000法拉的电容。在一些实施方式中，例如，本文中所描述的能量存储系统可被配置为在实施在具有大功率规格的某些军用车辆或其它车辆内时提供高达7000法拉的电容，甚至更高的电容。
一些实施方式可由可连接到车辆或卡车的起动系统的一部分的电容器系统来实施，以向起动系统提供能量和电力。例如，在一些实施方式中，电容器系统可连接到起动机的一部分，诸如电磁起动机。一些实施方式可将电容器系统连接到车辆的起动机，而无需将起动机或电容器系统连接到车辆内的电池和/或主电力系统。本文中所描述的系统和方法可实施在被配置用于不同操作电压的电力系统内，诸如6伏系统、12伏系统、24伏系统、36伏系统、48伏系统和其它操作系统电压系统。在一些实施方式中，本文中所描述的系统和方法可实施在具有车辆或内燃机系统的典型操作电压的系统内。
图1是示出与内燃机系统100(仅用于说明的目的)组合使用的能量存储系统10的实施方式的示意框图。能量存储系统10可包括包含一个或多个电容器的电容器系统20。在示出的实施方式中，电容器系统20包括具有多个电容器的电容器组25。电容器系统20可被配置为对起动机70供电，该起动机70被配置为转动曲柄并启动内燃机110。控制开关23可被定位在电容器系统20和起动机之间，从而使得电容器系统20与起动机之间的选择性的电连接。发动机系统100可包括被配置为对电池50充电的交流发电机60。电池50可通过控制开关选择地连接到起动机70，以为启动发动机110提供可选的选择性电力。
利用能量存储系统10启动发动机110可能存在一些优点，因为电容器系统20在一些条件下可比类似电池系统执行更好。例如，相比类似电池，电容器可更好保持电荷、提高循环寿命、提供更快的充放电时间，以及具有更有效的充电接受能力。电容器也可在某些温度下提供更好的起动性能，诸如冷启动应用。例如，本文中所描述的能量存储系统的一些实施方式可包括具有足够能量和电力的电容器系统，用来在约-18℃或甚至在低至-40℃以下的温度下冷启动无助力的9.0至16.0L柴油机。
能量存储系统10可包括被配置为连接到电池端子51处的电源并提供电流输出的充电电路30。充电电路30可被配置为从电池50和/或交流发电机60接收电力，并输出电流以对电容器系统20充电。充电电路30可沿电容器端子21连接到电容器系统20且可将电容器系统20充电到目标电容器输出电压Vc。充电电路30可包括DC到DC转换器，诸如单端初级电感转换器(SEPIC)、升压转换器、降压-升压转换器、限流电阻器、二极管，或者用于从电源对电容器选择地充电的任何其它适当的装置，如本文中所描述或本领域已知的。任何这些充电电路可以是可控的，使得可实现电容器的期望充电输出电压。
在一些实施方式中，充电电路30可提供恒定电流输出。充电电路30可被配置为被激活和被去激活以允许和禁止输出电流从充电电路30流动到电容器系统20中。从充电电路30到电容器系统20的充电率可通过控制输出电流的激活和去激活率来控制。充电电路30的控制和能量存储系统10内的其它功能可通过控制器40来提供。在一些实施方式中，能量存储系统10可包括被配置为检测电容器输出电压Vc并将电压反馈提供给操作员、控制器40或其他元件或系统的电压传感器。在一些实施方式中，来自电压传感器的电压反馈可允许用户或控制器采取动作，诸如调整目标电压。
在一些实施方式中，电容器系统20可包括被配置为管理电容器组内相对于彼此的单个电容器的电压和整个电容器输出电压Vc的平衡电路90。平衡电路90可“平衡”或减小单个电容器的电压之间的差。这样的平衡可避免某些电容器被充电至比其它电容器高或低的电压，而这可对电容器系统20的使用寿命具有影响。在一些实施方式中，平衡电路90可被配置为允许整个电容器输出电压Vc从第一目标电压降低到第二目标电压，如本文中进一步描述。平衡电路90可包括使用电线、印刷电路板等的多个不同的配置。在下面参考图3进一步详细地描述平衡电路90的一个实施方式。
控制器40可与充电电路30、电容器系统20和其它元件和系统连接(communication)以为能量存储装置10提供额外的功能。例如，控制器40可被配置为检测与电容器系统20相关的一个或多个条件、响应于该条件来确定电容器系统20是否应操作在劣化状态下，并基于检测的条件采取动作。所采取的动作可能会导致电容器系统操作在劣化状态下。这种在劣化状态下的操作可能会防止安全事故，并防止对电容器系统或植入其中的其他的损坏或其完全关闭。在一些实施方式中，控制器40可提供关于检测的条件和/或相对于该条件采取的动作的通知。控制器40也可被配置为检测一个或多个条件、基于所述条件确定是否操作在劣化状态下，并基于检测的条件采取动作(诸如使得劣化状态操作)，和/或向电容器系统20以外的其他系统提供通知。例如，这样的控制器40可被配置为提供与其它电源系统(诸如电池50和交流发电机60)和其它系统相关的这样的功能。
控制器40可使用各种感测装置和方法中的任一种来检测本文中所描述的系统内的条件。这种感测装置和方法可被配置为检测与电容器系统20相关的条件。感测装置可被定位在电容器系统20上、与电容器系统20接近，或甚至在电容器系统20的外部，且仍然检测与电容器系统20相关的条件。例如，感测装置可被配置为检测输出电压Vc、系统20的电容器内的温度和压力、或平衡电路90内的条件。在一些实施方式中，感测装置可被配置为检测电容器系统20外部但仍可能影响其性能(诸如电池电压Vb)的条件、以及充电电路30的条件。
在一些实施方式中，电容器系统20可包括一个或多个传感器80，其被配置为检测与电容器系统20相关的条件并将其提供到控制器40的输入。传感器80可被定位在电容器系统20内、与其接近，或甚至在电容器系统20的外部。传感器80可包括适于检测多种不同条件的任何一种的多种不同监控装置或系统的任何一种，并将条件传输到控制器40。例如，传感器80可包括：电压传感器、电容传感器、电流传感器、温度传感器、压力传感器、和/或检测其它条件的其它传感器。
对由一个或多个传感器80检测的条件的控制器40的输入可通过控制器40评估来确定条件是否与电容器系统相关和/或电容器系统响应于该条件是否应在劣化状态下操作。这样的评估可基于条件与编程的设定值(setpoint)或先前检测的条件的比较，诸如条件与设定值之间的差、或更复杂的算法。多种不同检测条件的任一种可被用于确定电容器系统是否应在劣化状态下操作，且多种动作的任何一种可被采取作出响应。
图2是示出控制器40的实施方式的系统框图。控制器40包括被编程为向能量存储系统10或其相关的系统提供不同功能的一系列模块。例如，控制器40可包括一个或多个电容器操作模块41、温度传感器模块42、电池操作模块43、充电器操作模块44、状态检查(health check)模块45、平衡电路模块46、通知模块47和定时模块48，或它们的任意组合。一个或多个这些模块可被配置为检测条件并确定能量储存系统10或与其相关的系统响应于该条件是否应在劣化状态下操作。这些模块中的一个或多个可被配置为基于条件采取动作，诸如使得能量存储系统10或与其相关的系统在劣化状态下操作。在一些实施方式中，这些模块可提供关于条件和/或所采取的动作的通知。
本文所描述的相对于控制器40的模块用于方便示出可由控制器40提供的功能，且该模块可使用各种软件、固件或硬件相对于彼此单独或集成以提供这种功能。如本领域的普通技术人员可理解的，每个模块可包括各种子例程、程序、定义声明和宏。这些中的每个通常可单独编译和链接到单个可执行程序中。因此，由每个模块进行的处理可任意重新分配给其它模块中的一个和/或组合到单个模块中。
参考图1和图2，电容器操作模块41可被配置为监控和控制电容器系统20的目标输出电压，和/或电容器系统20内的一个或多个电容器的电压。例如，电容器操作模块41可检测电容器系统20的总输出电压Vc和/或可检测电容器系统20内的一个或多个单个电容器两端的输出电压。在一些实施方式中，传感器80可包括被配置为检测在端子21上的输出电压Vc的电压传感器。在一些实施方式中，传感器80可包括被配置为检测电容器系统20内的一个或多个电容器两端的电压的电压传感器，如下面参考图3进一步所描述的。所检测的电压可反映一个或多个单个电容器或电容器系统20的总输出电压Vc中的过电压或电压不足条件。过电压或电压不足条件可基于检测的输出电压Vc与第一目标电压的偏差。电容器系统2中的条件可由许多不同条件(诸如损坏、缺失或以其它降低性能的电线、连接或接触)造成，如本文中进一步描述的。响应于这些所检测的电压条件中的一个或多个，电容器操作模块41可使电容器系统20在劣化状态(诸如目标降低电压)下操作。
电容器系统20的一些实施方式可被配置为响应于所检测到的电压条件通过禁止对其一个或多个电容器或其整个电容器组25充电而操作在劣化状态下。例如，通过配置电容器操作模块41以在电容器系统20或其电容器之一达到阈值目标电压情况下，将至充电电路30的使能信号截止而在第一级(stage)提供过压保护。在一些实施方式中，电容器操作模块41可通过向在充电电路30的输出处设置关断电压的电压转换器提供由脉冲宽度调制器(PWM)限定的充电电压的结束(end)来提供过压保护的第二级。关断电压设定值可通过控制器40被提供为PWM信号，通过使用RC滤波器，PWM信号可被转换为电压信号。如果至微控制器系统的通信丢失，电压信号可被加到偏移量来创建例如15V的最小充电电压(指六个单元电容器系统)。第三级过电压保护可包括最大阈值电压，其中如果能量存储系统中的电压超过阈值电压时，通过在关闭充电电路30的DC-DC转换器的电力级内部产生过电压保护信号而禁用充电电路30。充电电路30的及其对电容器系统20充电的能力的禁用可防止一个或多个电容器或整个组25的过电压条件。然而，完全禁用充电电路30或电容器系统20可防止车辆或电容器系统20为其提供电力的其它系统启动。
响应于与电容器系统20有关的条件的检测，电容器操作模块41可被配置为将电容器系统20从第一目标电压调整到小于第一目标电压的第二目标电压。第二目标电压可被调整到使电容器系统20操作在劣化状态下的同时可仍然允许电容器系统20保持足够电荷以提供某些功能的值。例如，参考图1，第二目标电压可被调整到电容器系统20中提供足够电荷以激活起动机70并启动内燃机110的值。
通过将电容器系统20输出电压Vc从第一目标电压降低到第二目标电压，组中的一个或多个电容器的过电压的危险性降低，同时允许电容器系统仍然提供电荷并在降低性能下操作。例如，通常可在15.0-16.2V下操作的电容器系统可被充电到仅约12V的第二目标电压；通常可在25.0-27.0V下操作的电容器系统可被充电到仅约20V。在一些实施方式中，虽然实施方式被设想提供小于100％的任何量的降低操作电压，但是任何操作电压的电容器系统可被充电到其正常操作电压的约50％、60％、70％、80％、90％或更多。在一些实施方式中，电容器系统可被充电到第二目标电压，其仍可在约-18℃下提供每曲柄约2秒来曲柄启动两个背靠背曲柄的发动机的能力。
控制器40可以很多不同的方式将电容器系统20的电容器输出电压Vc从第一目标电压调整到较低第二目标电压。例如，如果电容器系统20的电荷耗尽，同时能量存储系统10处于静止状态、去激活，或由短路或其它故障模式失去电荷，电容器系统20可下降到低于第一目标电压和第二目标电压的点。根据这样的实施方式，电容器模块41或充电器操作模块44可在初始起动发动机110(和交流发电机60)和/或在激活充电电路30时将电容器系统20充电到降低的第二目标电压。
在一些实施方式中，电容器系统20的输出电压Vc可通过被配置为将电力从电容器系统20转移到其它系统负载的电子部件feature)来调整。这些电子部件可被包括作为能量储存系统10的一部分(诸如电容器系统20内)或者作为另一系统的一部分。例如，电容器系统20的操作电压Vc可通过将来自电容器的电力转移到以对另一车辆负载(诸如车辆前灯或工作光(operating light))供电来降低。在输出电压Vc从第一目标电压下降到第二降低的目标电压之后，电容器系统20上的这样的负载可随后被移除。
在一些实施方式中，电容器系统20的输出电压Vc可通过被配置为平衡电容器系统20内的一个或多个电容器两端的单个电压的系统或电路来调整。平衡电路90可提供这样的功能，其实施方式示于图3中且下面被进一步描述。
再次参考图1和图2，在一些实施方式中，电容器操作模块41可检测电容器系统20中的一个或多个电容器的劣化(degraded，劣化)电容。可使用电容传感器或其它合适的系统或装置检测劣化电容。作为响应，一个或多个劣化的电容器可由电容器操作模块41或充电器操作模块44充电到较高电压，以补偿降低的电容。在类似的操作条件(诸如温度)下，较高电压可被选择为大于典型操作电压。在这种劣化操作条件下，较高电压可增加对电容器的磨损，或造成电容器故障。因此，该电容器操作模块41为其提供这样的增加电容器电压的定时可通过定时模块48控制。例如，定时模块48可被配置为防止在延长时期在增加电压下操作电容器，以防止对电容器的一些量的磨损或完全故障。定时模块48可允许劣化电容器在增加电压下操作达一段时期，其足以通过通知模块47提供电容器系统在劣化状态下操作的通知，从而提供校正动作的机会。
继续参考图2，在一些实施方式中，温度传感器模块42可被配置为检测电容器系统20或其它系统的温度。在一个实施方式中，温度可在一个或多个电容器上被直接检测。在另一个实施方式中，温度可通过检测附近但未与一个或多个电容器接触来间接检测。温度传感器模块42可包括接触传感器或非接触传感器或者从其中接收输入。触传感器的一个实例是热电偶或热敏电阻型传感器。非接触传感器的一个实例是高温计。当然其它合适的温度检测装置，或它们的组合都包含在本发明的范围内。
响应于温度的检测，电容器系统20的输出电压，或其单个电容器两端的电压可随温度的函数进行调整。例如，电容器系统中的一个或多个电容器可被充电到对应于目标电压的电压，其中，目标电压随给定的电容器温度而变化。可使用如本文其它地方中所描述的电压传感器来检测电容器或电容器系统电压，温度传感器可将反馈提供给温度传感器模块42。在一些实施方式中，温度传感器模块42可随所检测温度的函数控制电容器或电容器系统电压。
电容器电压的这种温度控制对于多种因素的任何因素是有利的。例如，电容器的寿命与装置操作的温度和电压成反比。升高的温度和/或电压可缩短装置的寿命，而降低的温度和/或电压可延长装置的寿命。此外，将电力提供到电容器系统与其连接的其他系统的任务在低温下更加困难。因此，有利于的是，在较低温度下增加供应至系统的电量和能量的量。因此，相对于温度控制电容器系统中的电压可提高电容器系统在不同温度下的性能，同时提高电容器寿命。
在一些实施方式中，温度传感器模块42可检测电容器系统20内的一个或多个电容器、充电电路30或其它系统的过高温度条件。响应于该条件，控制器40可被配置为采取各种动作。在一些实施方式中，控制器40可通过禁用或以其它方式限制充电系统30和/或降低电容器或电容器系统的充电率使充电系统30操作在劣化状态下。这样的禁用可减少过高温度条件对电容器系统20或充电电路30的影响。在一些实施方式中，电容器系统20的电压Vc和/或电容器系统20内的单个电容器两端的电压Vn(图3)可响应于所检测的过高温度条件进行调整。在一些实施方式中，温度传感器模块42可被配置为在达到给定过过高温度极限以下的值的温度时重新启动充电器。
在一些实施方式中，温度传感器模块42可检测电容器系统20内的一个或多个电容器的过低温度条件。例如，虽然其实施的电容器能量存储装置或系统可操作在这些较低温度下，但某些类型的电容器在低于一些温度(诸如低于约-40℃)下变得不能操作。响应于该条件，控制器40可被配置为采取各种动作。例如，电容器系统20内或附近的加热装置或部件可被激活，以提高操作在劣化状态期间的温度。例如，能量可从另一个源(诸如系统电池)被转移到加热器，其将电容器的温度升高到它们能够正常运行的点。
在一些实施方式中，可检测到发生故障的温度传感器。响应于该条件，电容器系统20可被控制器40控制以像是在比正常操作条件升高的温度下操作。在一些实施方式中，电容器系统20可被控制以像是在其最高操作温度下操作。电容器系统20的劣化状态操作的这样的实施方式可防止电容器系统20的增加磨损或故障，其实际上应在这些温度下操作，而无需温度传感器的反馈。
因此，控制器40可形成由电压传感器和/或温度传感器实施的开环或闭环控制系统，以控制一个或多个电容器中的温度/电压关系。电容器系统20的电容器两端的电压可使用本文中所描述的或本领域中已知的任何系统和方法进行调整。图6示出根据一个实施方式的电容器系统内随温度的函数控制的电容器电压的曲线图，如下面进一步描述。
电池操作模块43可被配置为检测并响应于相对于电池50的条件，诸如电池50的高或低电池电压Vb(图1)。例如，可由电池50上的增加需求、至电池50的故障的或性能降低的充电系统，或在电池50接近其寿命周期的结束时的降低的电池性能造成低电池电压。作为响应，电池操作模块43通过禁用充电电路30对电容器系统20充电，或通过提供对电容器系统20降低的充电率可使电容器系统20在劣化状态下操作，以防止电池电压的进一步耗尽(drain)。
高电池电压可例如通过被称为其中电池和交流发电机之间的连接被中断的“负载突降”的现象引起。另一个原因可能是发电机本身的故障，或另一外部电压源使输出电压超过其正常电压范围的上限电压。作为响应，控制器可禁用至电容器系统的充电器。该禁用可防止对充电器和/或控制器内的电子元件的损坏。由于对电池的过高或过低电压，可响应于上述提及的操作在劣化状态下的电容器系统，而提供通知。
充电器操作模块44可被配置为检测对电容器系统20不可操作或劣化的充电电路30。响应于该条件，充电器操作模块44可采取多种动作的任何一种以使电容器系统20在劣化状态下操作。在一些实施方式中，充电操作模块44可禁止电容器系统20被充电电路30充电。在一些实施方式中，充电器操作模块44可从可替代电源对电容器系统20提供电力。例如，电池50或第二个备用电源或充电系统可被重新改变线路并切换以替代充电电路30将备用切换电力提供到电容器系统20。在一些实施方式中，充电器操作模块44可被配置为禁止电容器系统20的操作且可替代系统可被接合以代替电容器系统20提供电力，例如，充电器操作模块44可从起动机70去激活或者去耦电容器系统20，而是将电池50耦接到起动机70，使得电池50用于启动发动机110。
状态检查模块45可被配置为执行内部状态检查以验证电容器系统20的一个或多个部件或元件的完整性。例如，可执行控制、电子、机械或其它元件的工作完整性测试以验证这些元件中的一个或多个的正常操作。例如，这样的测试可通过定时模块48利用计时器连续地或间断地进行或被编程为响应于设定值或其它存储器检查而激活。这样的测试可被执行以相对于电容器系统20的一个或多个元件的操作来检测可能触发将电容器系统20操作在在劣化状态下的一个或多个事件，和/或确定劣化状态操作是否已经或将要发生。作为响应，例如，电容器系统20可随着电源关闭和重新启动来复位或重新启动。在这样的复位过程中，电容器系统20的充电电路30可被禁用，和/或进入电容器系统20的电力可被重新改变线路或切换，使得电池50而不是充电系统30向电容器系统20提供功率。各种冗余电平可包括在内以确保发动机即使在多个元件故障的情况下仍可启动。例如，在一些实施方式中，在重新启动期间，电池可对充电系统和/或起动机提供可替代的电力。
状态检查模块45可包括测试按钮以验证电容器系统和/或平衡和控制系统的操作，或相对于电容器系统和/或平衡和控制系统的一个或多个特性提供反馈。在一些实施方式中，测试按钮可卡在“开”或“关”位置处。可手动或通过已知的或本文所述的检测装置检测这样的条件。作为响应，与测试按钮相关的指示设备装置(例如LED指示灯)可被禁用。
本文中所描述的系统在劣化状态下操作的通知可以用多种不同方式的任一种来提供。在一些实施方式中，通知模块47可通过指示灯、警报、用户手册、或其它反馈装置或用户界面提供反馈，允许操作员采取动作。例如，指示器或反馈装置可作为实施电容器系统的系统的一部分来实施(诸如在卡车驾驶室中)。在一些实施方式中，指示装置(诸如LED)可安装在电容器系统上，指示发生了故障且系统应复位、修理或更换。通知可通过有线网络接口(例如CAN、RS232、LIN等)、无线网络接口(例如蓝牙、WiFi、Zigbee等)、离散输出(例如压力表或“指示灯”)或它们的组合来提供。
在一些实施方式中，劣化状态操作过程中的降低的系统性能可利用或未利用额外通知(诸如指示灯)将通知提供给系统的操作员。例如，选择并调整电容器系统20到降低的第二目标电压可引起系统的可检测降低的性能，诸如起动机70的较慢或更少的可听见操作，或起动机启动发动机的较长时间周期。这样的可检测降低的性能可向系统的操作员提供电容器系统在劣化状态下操作的通知。应理解，即使没有明确说明，通知步骤或装置可在本文中所描述的系统中实施以用于任何的检测步骤或装置。
图3是示出由电容器组25实施的平衡电路90的实施方式的示意图。仅为了说明性目的示出电容器组25具有多个的六个电容器(C1至C6)。平衡电路90可被配置为平衡总电容器系统电压Vc。在一些实施方式中，总输出电压Vc可通过调整一个或多个电容器Cn上的电压Vn来调整。在一些实施方式中，单个单元的电压可平衡到对应于Vc/N的目标电压，其中N是电容器组中的电容器的数量。平衡电路90可通过减小每个电容器Cn上的电压Vn之间的差来平衡电容器系统20。一些平衡可避免某些电容器被充电到比其它电容器高或低的电压，而这对电容器系统20的使用寿命具有影响。
平衡电路90可包括电压监控器集成电路(IC)92，以控制平衡电路90内的电容器电压的平衡。电压监控器IC 92可以是控制器40的一部分(诸如平衡电路模块46的部分)，或者可以是与控制器40通信的单独部件。提供类似功能的其它元件可被用于替代电压监控器IC 92。电压监控器IC 92可被配置为响应于检测的一些电压条件，例如，通过调整电容器C1至C6的电压，来允许电容器系统20中的一个或多个装置在劣化状态下操作。
继续参考图3，电压监控器IC 92可监控各个电容器C1-C6两端的电压Vn。响应于所检测的一个或多个电容器单元(Cn)两端的电压Vn，平衡电路90可操作打开和关闭状态之间的一个或多个开关Sn。例如，如果一个或多个电容器单元(Cn)两端的电压Vn超过一个值，开关Sn可被关闭。以此方式，能量可通过相应的电阻器Rn消散，从而降低对应电容器单元上的电压Vn。在一些实施方式中，如果一个或多个电容器单元(Cn)两端的电压Vn下降到低于一个值，开关Sn可打开，这反过来将防止该特定电容器单元被进一步放电。应理解，为了说明性的目的，示出开关Sn，且设想是提供类似功能的多种不同元件或系统的任一种。在一些实施方式中，开关Sn包括晶体管。
在一些实施方式中，可提供附加电阻器Rpn。Rpn的电阻可显著大于Rn的电阻。在这样的实施方式中，当系统正常操作且开关Sn关闭时，电容器单元Cn上的对应电压Vn不会显著变化。然而，如果与电容器Cn的连接破损或劣化，因为Rpn和Rn之间的电阻差，电压Vn-Vn+1将降低。破损或劣化的连接22的实例在图3中示意地示出。减小的电压Vn-Vn+1和Rpn和Rn之间的电阻差可允许将要被电压监控器IC92所检测的破损或劣化。响应于这样的条件，平衡电路90可通过控制开关Sn来将电容器组的电压Vc从第一目标电压调整到较低的第二目标电压而引起劣化操作状况。这些实施方式可允许电容器系统继续安全地在较低性能下操作，从而防止实施电容器系统的更大系统的完全禁用。
平衡电路模块46可被配置为检测平衡电路90中的故障开关Sn，指示电容器系统20的另一个检测条件，例如，开关Sn可能无法关闭或者可能无法打开。开关的非正常操作可通过监控开关Sn和平衡电阻器Rn之间的节点的电压来检测。响应于该条件的检测，电容器系统20可使用电容器操作模块41和/或充电器操作模块44继续被充电到正常电压或者可被充电到第二较低目标电压，类似于上面所描述的劣化操作状态。
应理解，可单独使用或彼此的组合使用本文中所描述的以下步骤：检测条件、响应于条件采取动作，和/或提供条件的通知。例如，可检测条件而不存在响应于该条件采取动作。即使在本文中的一些实施方式中没有明确说明，也可检测条件且可提供通知，且可在没有提供通知的情况下检测条件。在有或没有操作员输入的情况下可采取本文所描述的动作，且可响应于条件的检测自动或手动采取动作。在一些实施方式中，可检测条件，且可通知操作员且给予两个或多个动作之间的选择，包括在没有动作(例如，监控)的情况下是否在操作在现状下，或响应于条件检测和通知激活或确认动作。此外，即使本文没有明确地描述，定时元件可由定时模块48实施以响应于条件和/或通知延迟任何条件的检测。
图4是示出根据实施方式操作基于电容器的能量存储系统的方法200的流程图。方法200可由图1中所示的能量存储系统10来实施。在一些实施方式中，方法200可使用图2中所示的控制器40来实施。方法200在框210中通过提供控制器和包括至少一个电容器的电容器系统开始。方法200然后移动到框220，其中，利用充电电路将至少一个电容器或电容器组充电到第一目标电压。方法然后移动到框230，其中系统检测反映电容器系统的劣化状态的条件。在检测到劣化状态之后，方法200移动到框235，其中确定是否基于条件将电容器系统置于劣化状态。方法200然后移动到框240，其中响应于条件将目标电压降低到第二目标电压。方法200然后移动到状态250，其中可作出至少一个电容器被充电到第二目标电压的通知。
图5是示出根据实施方式操作能量存储系统的方法300的流程图。方法300可由图1中所示的能量存储系统10来实施。在一些实施方式中，方法300可使用图2中所示的控制器40来实施。方法300开始于起始框305，且然后移动到处理框310，其中监控关于电容器系统的事件。方法300然后移动到处理框320，其中检测事件。方法300然后移动到决定框325，其中响应于所检测的事件确定是否在劣化状态下操作。如果作出决定：基于所检测的事件不在劣化状态下操作，方法300返回到处理框310，且重复处理框310。
如果作出决定：在劣化状态下操作，方法300移动到决定框330，其中确定所检测的电容器系统输出电压是否高于目标电容器系统劣化状态电压。如果所检测的电容器系统输出电压低于目标电容器系统电压，方法300前进到处理框340，其中激活充电电路以将电容器系统充电到目标电容器电压。如果所检测的电容器系统输出电压高于目标电容器系统电压，方法300前进到处理框350，其中激活电压降低控制以将电容器系统输出电压降低到目标电容器系统电压。方法300前进到决定框360，其中确定目标电压是否已经达到。如果电压还没有达到，方法300返回到处理框300，如果电压已经达到，方法300移动到结束框365并终止。
作为温度函数的电容器电压控制
图6是示出根据能量存储系统的实施方式的随温度(摄氏度)函数的电容器电压(Volts/Cell)的曲线图。图6中所示的随温度函数的电容器单元电压可使用电容器系统20、平衡电路30和/或控制器40或本文中所描述的其它元件的一个或多个实施方式来控制。在所示的实施方式中，具有电容器集的能量存储系统可被控制，使得每个电容器单元在低于0℃的温度被充电至2.7V/cell，并在25℃以上的温度被充电至2.5V/cell，在0℃与25℃之间提供线性关系。图6中所示的随温度函数的电容器单元电压的实际值仅为了说明的目的。类似的功能可提供用于电容器系统和电容器系统内的一个或多个单个电容器单元的各种电容和温度。例如，所示的单个单元的电压可被类似地控制位对应于Vc/N的电压，其中N是电容器组中的电容器的数量，作为温度的类似功能。图6中所示的电容器单元电压和温度之间的关系可类似地应用于控制电容器系统的总输出电压Vc。图6中所示的电容单元电压和温度之间的关系可类似地应用于控制电容器系统内的任何一个或多个电容器的输出电压，诸如本文参考图3描述的电压VI至V6。
图6示出对应于小于或等于约0摄氏度的温度的第一值(约2.7V)的近似恒定单元电压，和对应于大于或等于约25摄氏度的温度的第二值(约2.5V)的近似恒定降低单元电压，其中两个电压值之间具有过渡(在0摄氏度和25摄氏度之间的温度下)。虽然这两个电压值之间的过渡被示出为近似线性且低于0摄氏度和25摄氏度以上的电压被示为近似恒定，但是可设想其它实施方式。例如，在温度和电压范围之上的温度和电容器单元或系统输出电压之间的关系，在较低温度施加较高电压，以及较高温度施加较低电压的一般概念下，使用阶梯、线性、对数、抛物线或其它比例。此外，在一些实施方式中，电容器单元或系统输出可基于温度的其它范围被控制到三个或多个近似恒定电压值。
本领域的技术人员将进一步理解，各种说明性逻辑块、模块、电路和与本文中所公开的实施方式结合所描述的方法步骤可被实施为电子硬件、计算机软件、或两者的组合。为了清楚地说明硬件和软件的这种可互换性，以上已经在其功能性方面一般描述了各种说明性元件、块、模块、电路和步骤。这种功能实施为硬件或软件取决于特定应用和强加于整个系统的设计约束。本领域的技术人员可以针对每个特定应用以不同方式来实施所描述的功能，但是，这种实施决定不应被解释为导致脱离本发明的范围。本领域技术人员应认识到，部位或部分可包括小于或等于整体。
结合本文所公开的实施方式所描述的各种说明性逻辑块、模块和电路可由通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑器件、分立门或晶体管逻辑、分立硬件元件或被设计以执行本文所描述的功能的它们的任意组合来实施或执行。通用处理器可以是微处理器，但在替代方式中，处理器可以是任何常规处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器也可被实施为计算装置(例如，DSP和微处理器的组合)、多个微处理器、与DSP内核结合的一个或多个微处理器、或者任何其它这样的配置。
结合本文所公开的实施方式而描述的方法或过程的步骤可直接在硬件、由处理器执行的软件模块或两者的组合来实施。软件模块可驻留在RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动盘、CD-ROM，或本领域已知的任何其它形式的非暂存性存储介质中。示例计算机可读存储介质耦接至处理器，使得处理器可从计算机可读存储介质读取信息并将信息写入计算机可读存储介质中。在替代方式中，存储介质可以集成到处理器。处理器和存储介质可驻留在ASIC中。ASIC可驻留在用户终端或其它装置中。在替代方式中，处理器和存储介质可作为分立元件驻留在用户终端或其它装置中。
本文所公开的发明可被实施为方法、设备或使用标准编程或工程技术来产生软件、固件、硬件或它们的任意组合的制造物。如本文所用的术语“制造物”是指在硬件或计算机可读介质(诸如光存储装置，和易失性或非易失性存储器装置)中实施的代码或逻辑。这样的硬件可包括但不限于现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)、可编程逻辑阵列(PLA)、微处理器，或其它类似的处理装置。
提供所公开的实施方式的先前描述以使本领域技术人员能够制造或使用本发明。对这些实施方式的各种修改对于本领域技术人员将是显而易见的，且本文定义的一般原理可应用于其它实施方式，而不脱离本发明的精神或范围。因此，本发明不旨在限于本文所示的实施方式，而是应被赋予与本文所公开的原理和新颖特征一致的最广范围。
虽然上述说明已经指出了适用于各种实施方式的本发明的新颖特征，但是本领域技术人员应理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可对所示的装置或过程的形式和细节做出各种省略、替代和改变。
还应理解，虽然本文的许多实施方式描述了各种元件组合使用以形成用于管理在劣化状态下的电容器系统的操作的系统和方法的实施方式，但是许多元件可被制造和独立地提供，而不带其它元件。例如，用于在劣化状态下的电容器系统的管理操作的系统和方法、和本文描述的任何许多其它元件，或者它们的任意组合的实施方式可分开提供和/或作为整套提供。因此，本发明不被其它方式限制。

Claims (32)

1.一种能量存储系统，包括：
电容器系统，包括一个或多个电容器；
充电电路，被配置为将所述电容器系统充电到第一目标电压；以及
控制器，被配置为检测第一条件并响应于所述第一条件被编程为指示所述充电电路以将所述电容器系统充电到小于所述第一目标电压的第二目标电压，并提供所述电容器系统正在劣化状态下操作的通知。
2.根据权利要求1所述的能量存储系统，其中，所述电容器系统包括约200法拉到约2500法拉的范围之间的电容。
3.根据权利要求1所述的能量存储系统，其中，所述控制器被配置为基于所述第一条件的类型选择所述第二目标电压的值。
4.根据权利要求3所述的能量存储系统，其中，所述第一条件的所述类型是所述电容器系统内的破损电线和短路电线中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的能量存储系统，其中，所述电容器系统包括被配置为检测所述第一条件的至少一个传感器，所述传感器被配置为向所述控制器传输所述第一条件。
6.根据权利要求5所述的能量存储系统，其中，所述传感器被定位在电容器上以检测所述电容器的温度条件。
7.根据权利要求1所述的能量存储系统，其中，所述电容器系统包括包含多个电容器的电容器组。
8.根据权利要求7所述的能量存储系统，还包括：被配置为相对于彼此平衡多个电容器输出电压的平衡电路，各个电容器输出电压延伸在所述多个电容器中的各个电容器两端。
9.根据权利要求7所述的能量存储系统，其中，所述第一目标电压被定义所述电容器组两端的总电压。
10.根据权利要求1所述的能量存储系统，其中，所述充电电路被配置为输出恒定电流。
11.根据权利要求1所述的能量存储系统，其中，所述充电电路包括DC到DC转换器。
12.根据权利要求1所述的能量存储系统，其中，第二操作电压大于或等于足以激活用于内燃机的起动机的电压。
13.根据权利要求1所述的能量存储系统，其中，所述通知包括连接到所述能量存储系统的附加系统中的可检测的降低性能。
14.根据权利要求13所述的能量存储系统，其中，所述通知包括所述附加系统内的起动机的性能的可听见的可检测变化。
15.根据权利要求1所述的能量存储系统，其中，所述通知包括被配置为从所述控制器接收离散输出的指示装置。
16.根据权利要求15所述的能量存储系统，其中，所述指示装置被配置为提供指示灯或声音。
17.根据权利要求1所述的能量存储系统，其中，所述控制器被配置为检测所述一个或多个电容器的温度。
18.根据权利要求17所述的能量存储系统，其中，所述控制器被编程为当检测出的温度条件介于较高温度条件与较低温度条件之间时将所述第一目标电压调整到作为温度的线性函数变化的第三目标电压。
19.根据权利要求18所述的能量存储系统，其中，所述控制器被配置为当检测出的温度条件是小于或等于所述较低温度条件和大于或等于所述较高温度条件中的至少一个时将所述电容器系统充电到近似恒定的第四目标电压。
20.根据权利要求18所述的能量存储系统，其中，所述控制器被配置为将所述第一目标电压在检测出的温度下降到或者低于目标较高温度时调整为检测出的温度的倾斜线性函数的近似恒定第一电压以及在检测出的温度时调整为近似恒定第二电压。
21.一种操作基于电容器的能量存储系统的方法，包括：
提供控制器和包括至少一个电容器的电容器系统；
利用充电电路将所述电容器系统中的所述至少一个电容器充电到第一目标电压；
利用所述控制器检测所述电容器系统的条件；
基于所述条件确定是否将所述电容器系统置于劣化状态；
响应于所述条件将所述至少一个电容器的电荷降低到第二目标电压；以及
提供所述至少一个电容器被充电到所述第二目标电压的通知。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，充电包括利用近似恒定电流对所述至少一个电容器充电。
23.根据权利要求21的所述的方法，其中，提供包括提供包含多个电容器的电容器组。
24.根据权利要求23所述的方法，还包括：相对于彼此平衡多个电容器输出电压，各个电容器输出电压延伸在所述多个电容器中的各个电容器两端。
25.根据权利要求21所述的方法，其中，检测包括检测所述电容器系统中的至少一个电容器两端的电压变化。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，检测包括检测由于所述电容器系统内的破损电线和短路电线中的至少一种引起的电压变化。
27.根据权利要求21所述的方法，其中，降低包括关闭平衡电路中的开关。
28.一种能量存储系统，包括：
电容器系统，包括一个或多个电容器；
充电装置，用于将所述电容器系统中的至少一个电容器充电到第一目标电压；
检测装置，用于利用控制器检测反映所述电容器系统的劣化状态的条件；
电荷降低装置，用于响应于所述条件将所述至少一个电容器的电荷降低到第二操作电压；以及
通知装置，用于提供所述至少一个电容器被充电到所述第二操作电压的通知。
29.一种能量存储系统，包括：
电容器系统，包括一个或多个电容器；
充电电路，被配置为将所述电容器系统充电到第一目标电压；以及
控制器，被配置为检测所述电容器系统的温度条件，其中，所述控制器被编程为当检测到的温度条件介于较高温度条件和较低温度条件之间时将所述电容器系统充电到作为温度的函数变化的第二目标电压。
30.根据权利要求29所述的能量存储系统，其中，所述控制器被编程为当检测出的温度条件介于较高温度条件和较低温度条件之间时将所述电容器系统充电到作为温度的线性函数变化的第二目标电压。
31.根据权利要求29所述的能量存储系统，其中，所述控制器被配置为当检测出的条件是大于或等于所述较低温度条件或者小于或等于所述较高温度条件中的至少一种时将所述电容器系统充电到近似恒定的第三目标电压。
32.根据权利要求29所述的能量存储系统，其中，所述电容器系统包括多个电容器，其中，所述第一目标电压被定义为所述多个电容器两端的组合操作电压。
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