CN112152289A - 电气系统增强器 - Google Patents
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Abstract
一种用于电气系统的电气系统增强器；所述电气系统包括化学蓄电池；所述增强器包括超电容器阵列和智能涓流充电电路；所述超电容器阵列在涓流充电电路的控制下可控地、可切换地电连接到化学蓄电池。此外，公开了一种通过将车辆的蓄电池与超电容器阵列互相连接来增强车辆电气系统的性能的方法；所述超电容器阵列借助于智能涓流充电电路可控地、可切换地电连接到车辆化学蓄电池。在特定优选形式中，涓流充电电路包括：微处理器，被编程为在预定义的条件下将化学蓄电池连接到超电容器阵列以及断开化学蓄电池到超电容器阵列的连接，同时保持所述电池与涓流充电电路之间的电连接。
Description
本申请是申请日为2014年11月25日且题为“电气系统增强器”的国际申请PCT/AU2014/001072所对应的中国国家申请(申请号：201480072305.1，进入中国国家阶段日期：2016年07月05日)的分案申请。
技术领域
本发明涉及电力存储系统，更具体地，涉及使用形成增强器模块的部件的超电容器，虽然不排他地但所述超电容器意欲在需要时补充或增强车辆的电气系统。
背景技术
超电容器有时称为超级电容器或双层电容器，是与常规电容器相比具有非常高的能量密度且与常规铅酸电池相比具有非常高的功率密度的电容器-参照图1。
近年来，机动车辆已经装配了越来越多的辅助电气设备，例如电动车窗、座椅、卫星导航、大功率音响系统、稳定控制和动力转向。其中的一些在车辆引擎不工作并且标准车辆电池不从交流发电机接收电荷时可能是起作用的或待命的。现在，一些高级的豪华车要求在行李厢安装沉重的大电池以应对这些额外电力需求。
常规车辆电池的缺点在于在一些操作条件下，电池中的容量不足以有效地驱动车辆的起动马达。
常规车辆电池(通常是铅酸电池)的另一缺点是它们在非常低的环境温度下的容量损失。这与超电容器相反，在超电容器中在比较低的温度下的容量损失相对不明显。
存在转让给Midtronics公司的一系列美国专利，包括US 7015674，其涵盖了基于电容器存储技术的升压器包的各个方面，以辅助常规电池已耗尽的车辆的起动。本申请的实施例寻求提供一种更有效的结构，并且在一些方面，寻求提供一种更适合融入现代、电控车辆的系统。
还存在一种情况是，一些车辆现在实际上在短时间段内停止内燃机，作为提高燃料效率的手段。还存在一种情况是，一些车辆现在包括电动马达辅助，由此停止内燃机，而电动马达用于推进车辆。最终结果是，内燃机起动周期的数量增加，对用于起动车辆内燃机的基于常规电化学电池的结构施加了额外压力。
本发明的目的在于解决或至少改善以上一些缺点，或者提供有用的替代方式。
注释
术语“包括”(及其语法变化)在本说明书中用于“具有”或“包含”的包括性意义，而不是“仅由...组成”的排他性意义。
本发明的背景技术中对现有技术的以上讨论不是承认本文中所讨论的任何信息是在任何国家本领域技术人员的公知常识的部分或可引用的现有技术。
发明内容
定义：
在本说明书中，以下术语具有所指出的含义：
超电容器：超电容器，有时称为超级电容器或双层电容器，是与常规电容器相比具有非常高的能量密度且与常规电化学电池(诸如铅酸电池)相比具有非常高的功率密度的电容器。这些特性在适当的配置和尺寸时使得它们能够在低内阻情况的短时间间隔内输送足以操作例如内燃(IC)机的起动电动机的高安培电流脉冲。
常规或电池或化学蓄电池：电化学存储设备不包括或具有任何显著固有电容性存储部件。在汽车行业的情况下，电池已经被要求与内燃机结合以在内燃机关闭(并且因此由内燃机驱动的交流发电机不被驱动)时对车辆的电学元件供电并且还用于对起动电动机供电(在任何情况下，起动电动机比交流发电机系统设计提供的需要显著更多的电流)。直到最近时间，大多数汽车电池已经采取了铅酸电池的形式。这些电池表现出相对高的内阻。此外，内阻趋向于是电池的电荷和从电池汲取的电流以及环境条件(例如温度)的函数。
因此，在本发明的一种广泛形式中，提供了一种用于电气系统的电气系统增强器；所述电气系统包括化学蓄电池；所述增强器包括超电容器阵列和智能涓流充电电路；所述超电容器的阵列在涓流充电电路的控制下可控地、可切换地、电连接到化学蓄电池。
在本发明的另一种广泛形式中，提供了一种通过将车辆的化学蓄电池与超电容器阵列互相连接来增强车辆电气系统的性能的方法。所述超电容器阵列借助于智能涓流充电电路可控地、可切换地、电连接到车辆化学蓄电池。
在本发明的另一种广泛形式，提供了一种构造可再充电电池设备的方法；所述可再充电电池设备包括具有第一特性的第一可再充电电源以及具有不同于所述第一特性的第二特性的第二可再充电电源；所述第一可再充电电源包括常规电池；所述第二可再充电电源包括一个或多个超电容器；所述方法包括：
获得(procuring)所述一个或多个超电容器；
获得所述常规电池；
获得涓流充电电路；
至少将所述常规电池和所述一个或多个超电容器与所述涓流充电电路机械关联和互相电连接，从而形成所述可再充电电池设备；
并且其中，最初涓流充电电路保持电池与超电容器隔离，直到发起了初始充电序列为止。
在本发明的另一种广泛形式，提供了一种电气系统增强器电路，包括：
一个或多个电连接的超电容器的阵列；
与所述电容器的库(bank)进行电通信的涓流充电电路；
可由涓流充电电路控制的电隔离开关；
所述电容器的阵列可经由所述电隔离开关连接到蓄电池；
在所述电容器的库正由所述涓流充电电路充电的同时，所述电隔离开关由所述涓流充电电路保持在开路状态，从而在所述电容器的库的涓流充电期间所述电容器的库与所述蓄电池保持隔离。
在本发明的另一种广泛形式，提供了一种用于通过组合化学蓄电池和超电容器组合来替换指定应用中的化学蓄电池的方法；所述方法包括：
将用于所述指定应用的电池的大小调整为处于指定的CCA等级(冷启动电流)；
通过从所述指定的CCA等级替换预定调节CCA值来调整用于电池和超电容器组合的电池，以产生指定的电池和超电容器组合CCA等级；根据所述指定的电池和超电容器组合CCA等级来调整用于替换组合电池和超电容器组合的电池的大小。
通过预定时间窗口，根据其保持的最大电流输送能力来调整替换电池和超电容器组合的超电容器的大小，其中，所述最大电流输送至少是用于所述指定应用的电池的最大电流输送；将所述替换电池和超电容器组合电连接，以形成替换电池和超电容器组合；
从所述指定应用去除所述电池，并通过电连接将替换电池和超电容器组合替换到所述应用。
优选地，涓流充电电路包括：微处理器，被编程为在预定义的条件下将化学蓄电池连接到超电容器阵列以及断开化学蓄电池到超电容器阵列的连接，同时保持所述电池与涓流充电电路之间的电连接。
优选地，所述涓流充电电路包括与涓流充电器通信的处理器，其中，所述电隔离开关允许电流流过，从而当在正常充电模式下跨过化学蓄电池的电压处于预定电平或在所述预定电平以上时，允许由化学蓄电池(或电连接到蓄电池的车辆电气系统)对所述电容器阵列充电。
优选地，超电容器阵列具有大于10F的总阵列电容。
优选地，所述化学蓄电池和所述超电容器阵列互相电连接。
优选地，所述超电容器阵列的超电容器互相串联连接。
优选地，所述超电容器阵列的超电容器从所述化学蓄电池接收电荷；所述电荷由涓流充电电路的微处理器和调节器模块调制。
优选地，所述超电容器阵列的每个超电容器分别被充电。
优选地，所述超电容器阵列的超电容器被成对地充电；每个所述对包括互相并联连接的电容器。
优选地，所述电气系统增强器被改装以与所述化学蓄电池互连。
优选地，所述电气系统增强器和所述化学蓄电池互相电连接并封闭在共同封装中，从而形成智能电池。
优选地，所述增强器被用于指定应用中。
优选地，所述指定应用是车辆应用。
优选地，所述车辆应用是包括内燃机的应用。
优选地，所述应用是摩托车或轻小型客车或大型客车或货车应用之一。
优选地，所述超电容器阵列等级是指定应用的函数。
优选地，所述应用是具有1L或更小内燃机的摩托车应用，并且其中替代电容器是20F或更大，并且替代电池标称是10CCA或更大，并且其中预定调节CCA值是至少50CCA。
优选地，所述应用是具有2L或更小内燃机的轻小型客车应用，并且其中替代电容器是60F或更大，并且替代电池标称是50CCA或更大，并且其中预定调节CCA值是至少200CCA。
优选地，所述应用是具有4L或更小内燃机的大轻型客车应用，并且其中替代电容器是80F或更大，并且替代电池标称是150CCA或更大，并且其中预定调节CCA值是至少350CCA。
优选地，所述应用是具有8L或更小内燃机的货车应用，并且其中替代电容器是100F或更大，并且替代电池标称是200CCA或更大，并且其中预定调节CCA值是至少600CCA。
优选地，电容器阵列经由开关电连接到化学蓄电池；所述开关在所述阵列的电容器的涓流充电期间使电路开路，由此电容器阵列在与化学蓄电池隔离的同时被充电。
优选地，所述电容器阵列包括串联连接的电容器。
优选地，所述阵列的所述电容器是超级电容器。
优选地，所述阵列的所述电容器是超电容器。
优选地，所述阵列的所述电容器包括双层电容器。
优选地，所述电容器阵列包括至少两个串联连接的电容器。
优选地，所述电容器阵列包括偶数个电容器。
优选地，所述电容器阵列包括六个串联连接的电容器。
优选地，电容器阵列标称至少1F。
优选地，电容器阵列标称至少10F。
优选地，电容器阵列标称至少50F。
优选地，电容器阵列标称至少100F。
优选地，每个电容器可以形成为并联连接的一个或多个电容器。
优选地，组成所述阵列的每个电容器的端子连接在二极管和线圈两端，其中所述二极管和线圈串联连接，从而在所述每个电容器保持串联连接的同时允许所述每个电容器的隔离充电。
优选地，所述线圈是变压器的次级线圈。
优选地，隔离开关与串联连接的电容器阵列串联连接，从而将串联连接的电容器阵列与跨过所述电容器阵列连接的负载隔离。
优选地，所述负载包括化学蓄电池。
优选地，所述负载包括在电容器阵列两端并联连接的化学蓄电池。
优选地，所述负载包括电容器阵列两端连接的复合DC负载。
优选地，所述复合DC负载是车辆的电气系统。
优选地，继电器开关被放置在所述负载和所述电池之间并由所述增强器控制，以可控地将所述负载与所述电池和所述增强器隔离。
优选地，所述增强器包括通信模块，由此能够从远程位置至少监测化学蓄电池的状态，并且能够从远程位置控制所述增强器的多个方面。
在优选形式中，上述增强器包含电池组。
优选地，所述电池组包括分别由所述增强器可控地充电的各个单元。
优选地，所述电池组包括与所述增强器串联连接的二极管。
优选地，上述增强器还包括：内部电源单元，适于可拆卸地电连接到外部电源。
优选地，所述外部电源是USB电源。
优选地，所述内部电源单元与控制所述增强器操作的处理器通信。
附图说明
现在将参照附图描述本发明的实施例，其中：
图1是将常规电池、超电容器和电容器相比的能量密度对功率密度的曲线图。
图2是针对典型的现今车辆铅酸电池的充电与电池端电压特性的表格。
图3是不同特性的两种电源和负载之间可用的功率流关系的框图。
图4A是用于形成常规电池和超电容器组合的部分的超电容器的充电电路的一个版本的示意图。
图4B是作为“智能”或增强的电池的图4A的电路的应用。
图4C是作为跳起动器(jump starter)或插入式增强器模块的图4A的电路的应用。
图4D是在制造时集成到车辆中的图4A的电路的应用。
图5是进一步包含无线互联网连接和/或GPS位置感知能力的用于形成常规电池和超电容器组合的部分的超电容器的充电电路的另一版本的示意图。
图6是用于从车辆的驾驶舱内启动增强器控制的车辆板载控制器的示意框图。
图7是进一步包含无线互联网连接和/或GPS位置感知能力并且进一步包括近场无线电通信能力的用于形成常规电池和超电容器组合的部分的超电容器的充电电路的另一版本的示意图。
图8是根据先前描述的任何一个实施例的形成用于系统的实施例的构成块的增强器的核心模块的框图。
图9是在图8的核心模块上建立的跳起动(jump start)实施例。
图10是用于管理位于外部的电池组的核心模块的框图。
图11是示出了管理位于外部的锂电池组的图10的核心模块的框图。
具体实施方式
通过引入和背景的方式，图1通过图表方式示出了典型的现今超电容器的功率密度比现今的常规电池的功率密度高几个数量级。另一方面，现今常规电池的能量密度比现今超电容器的能量密度高一个或两个数量级。
本发明的实施例寻求当这两种设备以电的方式集成到电源系统中时组合和利用这两种设备的特性，典型地但不排他地被设计用于车辆的电源系统，比如仅由内燃机供电或由内燃机结合电动马达供电的轻型客车或货车。
图2是针对典型的当前车辆铅酸电池的充电与电池端电压特性的表格。将观察到，典型地电池端电压的相对小的变化引起铅酸电池的充电状态的显著变化。以下将描述的本发明的实施例利用或监测用于电池和超电容器组合的组合电源的控制系统中的这种特性。
图3以框图形式示出了可用于超电容器库1(表示相对大的功率密度、低内阻的电源)、主要能源2(表示相对大的能量密度、相对高的内阻的源)和负载3(负载可以表现出高的短期电流消耗需求但是相对低的长期电流消耗需求)(诸如在车辆负载中找到的但不限于车辆负载)的组合的功率流。
参照图4A，在优选实施例中，用于电动车辆电气系统12的电气系统增强器10适于与车辆16的常规化学蓄电池14一起使用。增强器10的超电容器20的阵列或集合18与常规车辆蓄电池14和车辆电气系统12并联连接。
在优选形式中，阵列18与电池14之间的连接包括开关19，该阵列通过开关19可控地、可切换地电连接到该电池以及诸如车辆电气系统12的可能连接的任何其他负载。
增强器10包括智能涓流充电电路22和超电容器20的阵列18。在优选结构中，六个超电容器20的阵列在智能涓流充电电路22的控制下并经由开关19从车辆的蓄电池14或电气系统12接收电荷。
增强器10中的阵列18中的超电容器20的数量是到车辆电气系统的期望输送电压和各个电容器的规格的函数。例如，对于15V的期望输送电压和额定电压为2.5V的超电容器，需要如在示例性系统10中串联结构的六个电容器的阵列。
涓流充电电路22的智能之处在于其包括微处理器24(或者类似的可编程数据处理元件)和用于控制充电过程的调节器模块26，并且涓流充电电路22分别提供每个超电容器20的充电，或者在一个优选结构中，利用并联连接到充电器的每个对提供成对超电容器的充电。
在这种情况下，控制器经由隔离变压器17分别连接到所示的每个电容器，理想地，还经由所示的至少一个二极管21。
该结构允许每个电容器可以从相对低的电压源(在该实例中2.5V左右)充电，使得即使车辆的蓄电池降到低至6V，增强器的各个超电容器可以仍然被充电到它们的额定容量，同时保持串联连接以为电容器阵列18提供所需的15V的额定电压。
在优选的操作模式下，开关19保持关断，同时涓流充电器22正在对电容器阵列18充电，从而断开阵列18与电池14和车辆电气系统12(其中被连接)的连接。该电隔离允许对组成库18的各个电容器20的低电压涓流充电。如果电池14已变为放电，则这种结构是特别有利的。在这种模式下，如说明书中进一步描述的，安装的继电器操作开关27也可以处于关断状态，以将电池14与车辆电气系统12隔离。
备选地，这可以通过机械开关结构来实现，由此将电容器彼此隔离进行充电并且之后重新串联连接。
在充电期间电容器与电池的隔离还允许整个电容器库两端的电压大于电池的电压。
在汽车情境下可使用的本发明实施例的增强器系统10通常具有被调整大小的超电容器，所述超电容器能够将200与600安培之间的附加电流浪涌输送到车辆的电气系统和起动电动机，足以跳起动车辆的引擎。随后，车辆的交流发电机可以对车辆的蓄电池进行再充电。
在大多数情况下，这种电涌将利用第一电容器电荷输送来跳起动引擎(假定低电池是唯一的问题)。超电容器通常能够输送多于一个的电涌。然而，根据车辆的大小(其引擎的大小)，如果需要进一步的跳起动尝试，则会需要超电容器的再充电。这里，超电容器的另一重要优点在于，再充电可以采用如几分钟的尽可能少的时间。
在优选形式中，电气系统增强器10包括所示的由来自微处理器24的输出控制的继电器操作开关27。商业上，可以将开关27称为“智能开关”。开关27在电路中被结构为使得开关27将DC电源选择性地连接到电动车辆电气系统12(在该实例中，在电池14和超电容器20电源组合的远端)。在优选形式中，开关27被操作为在常规电池14两端感测到的端电压下降到预定值以下的情况下断开电源到电动车辆电气系统12的连接。在特定的优选但不是限制的形式中，所述电压可以被设置在12.2V DC或12.2V DC左右。参照图2，可以看出，这可以对应于常规的12V额定电池14处于其容量的50％或更低的充电水平。
在特定形式中，微处理器24与CAN总线(Canbus)I/O控制器28进行通信。这提供了对车辆CAN总线30上的数据的访问，并允许微处理器24与车辆中的也连接到车辆CAN总线的其他设备进行通信。通常，这将包括车辆的主车辆控制器29以及许多外围设备和传感器。
CAN是用于连接电子控制单元(也称为ECU)的多主广播串行总线标准和协议。在特定的优选形式中，其包括基于优先级的总线仲裁。在基于优先级的总线仲裁下，系统消息被给予标识符并按优先级分级。这是转让给Bosch的多个美国专利的主题，包括US 5448180、US 5448561、US 5539778和US 5572658。
US 5448180、US 5448561、US 5539778和US 5572658的整个文本和附图通过交叉引用的方式合并于此。
在使用中，在优选形式中，继电器27闭合，由此超电容器20与常规电池14进行电通信，并且它们一起与车辆电气系统12进行通信。常规电池14包括具有第一特性的第一可再充电电源40，而超电容器20共同包括具有第二特性的第二可再充电电源41(参见图3)。在该实例中，这两种电源一起工作以向车辆电气系统12提供电力。它们还一起工作以在特定环境下从车辆系统12接收电流形式的电力。当处于接收电力模式下时，接收的电力用于在涓流充电电路22的控制下对包括第一可再充电电源的常规电池14进行再充电并且还对包括第二可再充电电源的超电容器20进行再充电。如图3中大体上示出的，功率流可以采用多种不同模式和路线。
第一优选实施例-智能/增强的电池(图4B)
在该第一优选实施例中，电气系统增强器10包括与超电容器20的阵列互连的涓流充电器22。如关于概括的图4A实施例所述，涓流充电器从车辆的蓄电池14汲取电力以经由涓流充电器22的微处理器24和调节器模块26对超电容器充电。
在该实施例中，蓄电池14、超电容器阵列18和涓流充电器22在共同封装内形成单个集成单元31以形成“智能电池”。
如上所述，增强器能够将一些200至600安培的附加电流添加到可用电力输送，使得包含的蓄电池可以小得多。因此，该结构允许蓄电池组件所需的单元内的体积大大减小，使得集成单元的尺寸不需要更大或者仅少量地大于适用于给定车辆的常规铅酸电池的尺寸。
可以采用以下方法：与智能电池替换的化学蓄电池相比，调整智能电池31的化学蓄电池14的大小。大体上，可以降低替代电池的CCA(Cold Cranking Amps，冷启动电流)等级，同时当与它所替换的化学蓄电池相比时至少保持智能电池31的良好的CCA性能。替代电池的较小的尺寸允许智能电池占用与它所替换的常规独立化学蓄电池相同的物理体积。在一些情况下，替代智能电池单元与它所替换的常规独立化学蓄电池相比重量可以减小。可以开发如下算法：调整包括替代电池的CCA等级下降因子的替代化学蓄电池的大小。在下面的表格中给出了独立常规电池和替代电池的可能典型尺寸范围以及用于不同应用的关联的总电容器库大小。
从表格中可以看出，下降因子趋向于50CCA的阶次，并且可以根据应用高得多。
在优选形式中货车应用的内燃机可以是柴油内燃(IC)引擎。
第二优选实施例-插入式增强器模块/跳起动器(图4C)
在如图4C所示的一个优选结构中，增强器10可以从车辆的电气系统容易地拆卸，以允许其用于跳起动具有低电池问题的另一车辆。以这种方式，它特别地适合于路边援助使用。
第三优选实施例-OEM/集成在车辆中(图4D)
在第三优选实施例中，可以在汽车本身正被组装时在工厂中安装增强器组件10。备选地，增强器组件10可以改装到装配有常规蓄电池的现有车辆的电气系统。这种改装可以是“工厂”重装，通常在授权服务中心处根据车辆制造商的规范来执行。备选地，改装可以由车辆所有者按照所提供的指示来执行。
参照图5，可以通过包括与微处理器24通信的GPS位置模块32来补充增强器10的功能。它还可以包括无线通信模块33，例如，与微处理器24通信的GSM模块以通过移动电话网络34与互联网35通信。这种结构将允许增强器10的功能增加，例如，允许增强器10的跟踪以及用于微处理器24的软件更新的下载。例如，出于增强器模块10以及更一般地车辆16的维护记录和主动维修的目的，它还可以允许电池14的状态经由互联网35传送到远程位置。
实施方式
即使当车辆的蓄电池放电到低至6V(在12V的系统中)时，包括系统的涓流充电电路22的增强器10通过从车辆的蓄电池14汲取电力对系统的超电容器充电。超电容器库18可以在两三分钟内充电到15V，使得其能够提供电涌来起动引擎，之后，交流发电机正常地对车辆的常规蓄电池充电。因此，本发明的系统在需要时提供了大的能量缓冲。
制造
在优选形式中，图4B、图4C或图4D中的任何一个的结构包括具有涓流充电器模块的至少一个电容器库的组件。
在优选形式中，涓流充电器以及更具体地其调节器模块部分将包括高电流容量固态设备的利用，例如可控硅整流器(SCR)或MOSFET。这些设备将需要能够根据应用来处理600A和1000A之间的峰值电流。在优选形式中，调节器模块26可以包括目前市售的LT3751回扫控制器。微处理器24可以使用PIC24F16KA101低功耗微控制器来实现。许可的CAN总线控制器单元是目前市售的。
超电容器特征概要
非常高的循环寿命，高达500,000，只有20％的性能下降，
没有常规蓄电池的充电/放电记忆效应，
工作温度范围大，从-400C到+650C，
可以不带电地存储，具有非常长的贮藏寿命，
反极性保护，
固态组件，无运动部件，所以磨损少，
重量轻，本发明的增强器组件可以小于700g，
能够通过防止信号截止来提高车辆音响系统性能。
现在将描述之前描述的系统的进一步实施例：
驾驶舱控制实施例
图6是用于从车辆16的驾驶舱43内启动增强器控制的车辆板载控制器42的示意框图。
在该实例中，车辆板载控制器42包括与存储器45和一种形式的无线发射器接收器46通信的微处理器44。在一种形式中，处理器44与车辆CAN总线30通信。
微处理器44从优选地仪表板安装的开关47接收输入。微处理器44还可以与仪表板安装的显示器48通信。在另一具体形式中，仪表板安装的显示器48可以是触敏屏幕，其中开关47的功能可以包含在其中。
存储器45包含用于操作处理器44的代码程序，由此，在检测到低电池电压条件的情况下，通过驾驶员致动来启用开关47，以使增强器10进入超电容器充电模式，借此，利用来自车辆电池14的电荷来通常在1至5分钟的时间段内可控地、选择性地对超电容器20充电，足以使得超电容器20的库18获得足够的电压和容量来对车辆的起动电动机(未示出)供电。
驾驶舱43内的微处理器44与增强器10(通常安装在车辆12的发动机舱内)之间的通信可以经由与增强器10的相应无线模块49(参见图7)通信的无线发射器接收器46，或者经由CAN总线30(参见图4D)(或参见图5，经由CAN总线连接器50，由此增强器10可拆卸地、可连接地安置在与车辆16的CAN总线30通信的CAN总线)。
近场无线控制实施例
图7是进一步包含无线互联网连接和/或GPS位置感知能力并且进一步包括近场无线电通信能力的用于形成常规电池和超电容器组合的部分的超电容器的充电电路的另一版本的示意图。图7示出的实施例包含参照图5描述的所有特征，但是在该实例中，附加地或者替代GPS单元32和GSM单元33，包含适于与例如位于车辆16内的板载控制器进行近场无线通信的无线模块49。近场无线通信可以基于蓝牙技术或Wi-Fi技术或目前可用的NFC技术。
智能控制实施例
图8是根据先前描述的任何一个实施例的形成用于系统的实施例的构成块的增强器10的核心模块的框图。在该实例中，微处理器24被编程为包括如下功能：
a.向车辆16和/或向外部监测机构报警通知。
b.通过外部监测机构跟踪增强器10(和车辆16)。
c.例如由外部监测机构远程访问以控制增强器10包括将其隔离。
d.在一些实施例中，为了与外部监测机构通信，SIM将需要与无线通信模块33结合地操作(例如，通过GSM网络操作)。
跳起动实施例
图9是在图8的核心模块上建立的跳起动(jump start)实施例。
在该实例中，增强器10可以包含内部常规电池组51，所述内部常规电池组51具有足够的容量来对超电容器库18充电，继而，足以使得超电容器20在至少一个起动周期内对车辆16的起动电动机(未示出)供电。在该实施例中，车辆蓄电池14单独地保持在车辆16内。这种跳起动版本的增强器10可以方便地设置为能够装载在车辆储物箱(glovecompartment)或类似物内的单独的独立单元，并将包含小的鳄鱼夹(alligator clip)52以在电池14需要“跳起动”时允许释放与电池14的端子的电连接。计算指示了用于许多轻型车辆的电池组51可以包括能够提供有跳起动单元或能够在需要时最新购买的2、3或4个AA尺寸的电池。
外部电池组管理实施例
图10是用于管理位于外部或内部的电池组的增强器10的核心模块的框图。
增强器10的充电控制部分的模块化性质，具体地独立驱动的隔离变压器17的多样性，可以用于可控地对电池组51的各个单元53以及电容器阵列18的各个超电容器单元20充电。
这种结构可以有利地用于提供能够完全独立于车辆蓄电池14操作的增强器10。在备选场景中，这种结构可以代替车辆电池14操作。
锂电池组管理实施例
图11是示出了管理包括多个锂电池单元56的位于外部或内部的锂电池组55的图10的核心模块的框图，其中，跨过单独的隔离变压器17连接每个锂电池单元。隔离变压器17继而在微处理器24的控制下由调节器26驱动。
这种结构允许分别对组成锂电池组55的单元56进行充电。在该实例中，如图11所示包含隔离二极管57，从而隔离锂电池组55以使其免受增强器10外部的电源的影响/被增强器10外部的电源充电。
在电容器库18和锂电池组55均受一个增强器10控制的形式下，在所述库与所述组之间需要附加开关以在需要时允许单独的可控充电。
在优选形式中，除了锂电池单元处于非常弱的条件下，锂电池组保持电容器库充电。
在特定优选形式中，组55可以包括四个锂电池单元，每个锂电池单元具有3.6至4.2伏特的额定电压并在30％至80％的充电周期范围内操作。
在特定形式中，增强器10还包括适于从除了车辆蓄电池14之外(或作为车辆蓄电池14的备选)的外部电源59接收电力的内部电源单元58。在特定优选形式中，外部电源58是能够经由插口(socket)60可拆卸地连接到增强器10的USB电源。电力的该外部源可有利地用于提供从低电平对电池组55进行初始充电或后续再充电的电力的源。
在特定形式中，内部电源单元58由微处理器24控制，从而经由调节器26同步增强器10的充电操作。
在特定形式中，调节器26是开关型调节器。在一个非常特殊的形式中，经由调节器26的简单开/关循环来实现电容器库18或电池组55的充电。
虽然已经描述了利用锂电池技术的这种特殊形式的电池组55，但是可以利用其他形式的可再充电电池技术，包括镍金属氢化物以及(确实地)铅酸。
工业实用性
将超电容器包含在电动车辆的电气系统中因此具有多个优点。本发明的超电容器阵列的非常高的功率密度提供了高达600安培的可靠附加电源以在车辆的蓄电池不能工作的条件下驱动车辆起动电动机。
将化学蓄电池与超电容器阵列和控制模块集成在单个电源单元内在常规铅酸电池无法提供足够动力来起动和操作车辆的条件下提供了具有更大可靠性的增强的车辆电气系统。
Claims (13)
1.一种用于电气系统的电气系统增强器；所述电气系统包括化学蓄电池；所述增强器包括超电容器阵列和智能涓流充电电路；所述超电容器阵列在涓流充电电路的控制下可控地、可切换地电连接到所述化学蓄电池。
2.根据权利要求1所述的增强器，其中所述涓流充电电路包括：微处理器，被编程为在预定义的条件下将所述化学蓄电池连接与所述超电容器阵列连接和断开，同时保持所述电池与所述涓流充电电路之间的电连接。
3.根据权利要求1或2所述的增强器，其中，所述涓流充电电路包括与涓流充电器通信的处理器，其中所述电隔离开关允许电流流过，从而当在正常充电模式下化学蓄电池两端的电压处于预定电平或高于所述预定电平时，允许由化学蓄电池或电连接到蓄电池的车辆电气系统对所述电容器阵列充电。
4.根据权利要求1或2或3所述的增强器，其中，超电容器阵列具有大于10F的总阵列电容。
5.根据权利要求1至4任一项所述的电气系统增强器，其中，所述化学蓄电池和所述超电容器阵列互相电连接。
6.根据权利要求1至5任一项所述的电气系统增强器，其中，所述超电容器阵列的超电容器互相串联连接。
7.根据权利要求1至6任一项所述的电气系统增强器，其中，所述超电容器阵列的超电容器从所述化学蓄电池接收电荷；所述电荷由涓流充电电路的微处理器和调节器模块调制。
8.根据权利要求1至7任一项所述的电气系统增强器，其中，所述超电容器阵列的每个超电容器分别被充电。
9.根据权利要求1至7任一项所述的电气系统增强器，其中，所述超电容器阵列的超电容器被成对地充电；每个所述对包括互相并联连接的电容器。
10.根据权利要求1至9任一项所述的电气系统增强器，其中，所述电气系统增强器被改装(retro-fitted)以与所述化学蓄电池互连。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的增强器，其中，涓流充电电路包括：微处理器，被编程为在预定义的条件下将化学蓄电池与超电容器阵列连接和断开，同时保持所述电池与涓流充电电路之间的电连接。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的增强器电路，其中，所述涓流充电电路包括与涓流充电器通信的处理器，其中，所述电隔离开关允许电流流过，从而当在正常充电模式下化学蓄电池两端的电压处于预定电平或大于所述预定电平时，允许由化学蓄电池或电连接到蓄电池的车辆电气系统对所述电容器阵列充电。
13.一种具有内燃机的车辆；所述内燃机通过来自权利要求1至12任一项所述的增强器的电力的供应而被启动。
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