DE202016106542U1 - Superkondensator-Ladesystem - Google Patents

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Abstract

Superkondensator-Ladesystem für ein Fahrzeug, umfassend: mindestens einen Superkondensator; einen Stabilisierungs- und Ausgleichscontroller, der betätigt werden kann zum Dämpfen einer Rauschspannung; einen Ladungsabgleichscontroller, der betätigt werden kann zum Unterdrücken einer Überladung des mindestens einen Superkondensators; und einen Energiemanagementcontroller, der betätigt werden kann zum Steuern des Ladens und Entladens des mindestens einen Superkondensators für eine Energieverteilung und betätigt werden kann zum Verwalten der Energieverteilung durch Koppeln mit dem Stabilisierungs- und Ausgleichscontroller und dem Ladungsabgleichscontroller, wobei der Energiemanagementcontroller betätigt werden kann zum Detektieren einer Ladungsmenge und Bestimmen, ob geladen oder das Laden gestoppt werden soll, auf der Basis der Ladungsmenge.

Description

  • Erfindungsgebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Superkondensator-Ladesystem für ein Fahrzeug. Das System ist besonders relevant zum Ersetzen einer nicht-umweltfreundlichen Batterie des Fahrzeugs.
  • Allgemeiner Stand der Technik
  • Die folgende Erörterung des allgemeinen Stands der Technik bezüglich der Erfindung soll nur ein Verständnis der vorliegenden Erfindung erleichtern. Es versteht sich, dass die Erörterung kein Anerkenntnis oder kein Eingeständnis ist, dass irgendetwas von dem Material, auf das Bezug genommen wird, zum Prioritätsdatum der Erfindung in irgendeiner Jurisdiktion veröffentlicht, dem Fachmann bekannt oder Teil des üblichen allgemeinen Wissens des Fachmanns war.
  • Herkömmlicherweise haben Fahrzeuge wie etwa Kraftfahrzeuge eine oder mehrere nicht-umweltfreundliche Batterien, z.B. Blei-Säure-Batterien, als elektrischen Energiespeicher für die Zufuhr von Leistung zum Fahrzeug verwendet. Die Blei-Säure-Batterie kann elektrische Energie liefern, die für das Starten eines Motors erforderlich ist, die elektrische Energie an das Fahrzeugbordnetz liefern, wenn ein Motor angehalten ist oder ein Generator versagt, und eine vorübergehende Disparität zwischen einer Ausgabe und einer Last des Generators verstellen, indem die elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt, sie gespeichert und wenn notwendig entladen wird.
  • Insbesondere ist die Blei-Säure-Batterie in der Lage, eine hohe elektrische Spannung und einen hohen elektrischen Strom zu liefern, die für das Starten und/oder den Betrieb des Kraftfahrzeugs erforderlich sind. Mit anderen Worten besitzt die Blei-Säure-Batterie ein relativ großes Leistungs-Gewichts-Verhältnis bei geringen Kosten. Deshalb ist die Blei-Säure-Batterie für die Verwendung in den Fahrzeugen attraktiv, um den durch Anlassermotoren erforderlichen starken Strom zu liefern.
  • Die Blei-Säure-Batterie besitzt jedoch den Nachteil, dass sie eine nicht-umweltfreundliche Batterie ist. Im Laufe der Zeit können Elektroden der Blei-Säure-Batterie auch degenerieren und somit wird der erzeugte Ausgangsstrom die erforderliche Anforderung nicht länger erfüllen. Einige Bleiverbindungen der Blei-Säure-Batterie sind extrem toxisch. Zudem kann eine langfristige Exposition sogar gegenüber winzigen Mengen dieser Verbindungen zu Gehirn- und Leberschäden, einer Beeinträchtigung des Gehörs und Lernproblemen bei Menschen führen.
  • Als solches existiert ein Bedarf an einem verbesserten System und/oder einer Batterie, die in der Lage ist, die oben erwähnten Mängel zumindest teilweise zu verringern.
  • Kurze Darstellung der Erfindung
  • In der Patentschrift werden, sofern der Kontext nicht etwas anderes erfordert, das Wort „umfassen“ oder Varianten wie etwa „umfasst“ oder „umfassend“, so verstanden, dass die Aufnahme einer festgestellten ganzen Zahl oder Gruppe von ganzen Zahlen, aber nicht der Ausschluss irgendeiner anderen ganzen Zahl oder Gruppe von ganzen Zahlen impliziert wird.
  • Zudem werden in der Patentschrift, sofern der Kontext nicht etwas anderes erfordert, das Wort „enthalten“ oder Varianten wie etwa „enthält“ oder „enthaltend“, so verstanden, dass die Aufnahme einer festgestellten ganzen Zahl oder Gruppe von ganzen Zahlen, aber nicht der Ausschluss irgendeiner anderen ganzen Zahl oder Gruppe von ganzen Zahlen impliziert wird.
  • Die vorliegende Erfindung trachtet danach, eine nicht-umweltfreundliche Batterie eines Fahrzeugs durch eine umweltfreundliche Batterie zu ersetzen.
  • Gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung gibt es ein Superkondensator-Ladesystem für ein Fahrzeug, umfassend: mindestens einen Superkondensator; einen Stabilisierungs- und Ausgleichscontroller, der betätigt werden kann zum Dämpfen einer Rauschspannung; einen Ladungsabgleichscontroller, der betätigt werden kann zum Unterdrücken einer Überladung des mindestens einen Superkondensators; und einen Energiemanagementcontroller, der betätigt werden kann zum Steuern des Ladens und Entladens des mindestens einen Superkondensators für eine Energieverteilung und betätigt werden kann zum Verwalten der Energieverteilung durch Koppeln mit dem Stabilisierungs- und Ausgleichscontroller und dem Ladungsabgleichscontroller, und wobei der Energiemanagementcontroller betätigt werden kann zum Detektieren einer Ladungsmenge und Bestimmen, ob geladen oder das Laden gestoppt werden soll, auf der Basis der Ladungsmenge.
  • Bevorzugt ist der mindestens eine Superkondensator mit Graphen auf einen Aktivkohlefilter diffundiert.
  • Bevorzugt soll das Diffundieren des Graphens in eine Aktivkohleanode einen Widerstandswert eines elektrischen Reihenwiderstände (ESR) senken.
  • Bevorzugt ist der mindestens eine Superkondensator mit dem Ladungsabgleichscontroller integriert.
  • Bevorzugt umfasst das Superkondensator-Ladesystem weiterhin ein Speichermedium, das betätigt werden kann zum Speichern von Pufferenergie.
  • Bevorzugt enthält das Speichermedium ein Lithium-Eisenphosphat-Medium.
  • Bevorzugt kann der Stabilisierungs- und Ausgleichscontroller zum Dämpfen der Rauschspannung betätigt werden, die von mindestens einem der Folgenden kommt: einen Wechselstromgenerator, einem Generator, einem Magnetzünder und einem Zündsystem.
  • Bevorzugt umfasst der Stabilisierungs- und Ausgleichscontroller eine Mehrheit von Kondensatoren und einen Widerstand.
  • Bevorzugt umfasst der Ladungsausgleichscontroller in Reihe zwischen jeder Zelle eine Leuchtdiode (LED) und eine Zenerdiode.
  • Bevorzugt leuchtet die LED auf, wenn der entsprechende Superkondensator vollständig aufgeladen ist.
  • Bevorzugt umfasst das Superkondensator-Ladesystem ein KERS (Kinetic Energy Recovery System – System zur Rückgewinnung kinetischer Energie), das als ein externes Medium angeschlossen ist und betätigt werden kann zum Erfassen von kinetischer Energie beim Bremsen.
  • Bevorzugt kann der Energiemanagementcontroller zum Verwalten der Energieverteilung durch Koppeln mit dem KERS betätigt werden.
  • Bevorzugt kann das KERS zum Umwandeln der kinetischen Energie in eine elektrische Energie und Transferieren der umgewandelten Energie in mindestens einen des Superkondensators und des Speichermediums betätigt werden.
  • Bevorzugt kann das KERS zum Hochfahren des Superkondensator-Ladesystems betätigt werden, so dass das Superkondensator-Ladesystem Leistung an das Fahrzeug liefern kann.
  • Bevorzugt umfasst das Superkondensator-Ladesystem weiterhin ein externes Ladegerät, als ein externes Medium angeschlossen und mit einem Induktionsspulenmotor.
  • Bevorzugt enthält das externe Ladegerät mindestens eines der Folgenden: einen Wechselstromgenerator, einen Generator und ein Ladegerät.
  • Bevorzugt kann der Wechselstromgenerator zum Hochfahren des Superkondensator-Ladesystems betätigt werden, so dass das Superkondensator-Ladesystem Leistung an das Fahrzeug liefern kann.
  • Bevorzugt kann der Energiemanagementcontroller zum Steuern des Ladens und Entladens des Speichermediums für die Energieverteilung betätigt werden.
  • Bevorzugt kann der Energiemanagementcontroller zum Entladen des Speichermediums betätigt werden, um den mindestens einen Superkondensator zu laden.
  • Bevorzugt kann der Energiemanagementcontroller betätig werden zum Bestimmen, einen des Superkondensators und des Speichermediums zu laden, falls die Ladungsmenge unter einer vorbestimmten Menge ist.
  • Bevorzugt kann der Energiemanagementcontroller betätigt werden, um mit dem Stabilisierungs- und Ausgleichscontroller synchronisiert zu werden.
  • Bevorzugt kann der Energiemanagementcontroller betätigt werden zum Berechnen einer Fourier-Transformations-Linienintegrations-Formulierung mit einem voreingestellten Intervall zum Optimieren des Ladens und Entladens des mindestens einen Superkondensators und des Speichermediums.
  • Bevorzugt kann der Energiemanagementcontroller betätigt werden zum Berechnen der Fourier-Transformations-Linienintegrations-Formulierung alle 11 ns.
  • Bevorzugt umfasst der Energiemanagementcontroller eine Mehrheit von Kondensatoren, eine Mehrheit von Registern, eine Diode, einen Induktor und ein Algorithmusfirmwaremodem.
  • Bevorzugt ist das Algorithmusfirmwaremodem ein programmierbarer Chip und kann betätigt werden zum Unterstützen von Elektronikkomponenten.
  • Bevorzugt kann das Algorithmusfirmwaremodem betätigt werden zum Auslösen eines unterschiedlichen Ladungs- und Entladungsabgabequantenpegels in einem realen dynamischen Modus, um die Energieverteilung zu verwalten.
  • Bevorzugt, falls das Fahrzeug ein Wagen ist, liefert das Speichermedium eine erste Initialladung an den Superkondensator und der Wechselstromgenerator liefert Leistung an den Superkondensator, um den Wagen zu betreiben.
  • Bevorzugt, falls das Fahrzeug ein Gabelstapler ist, lädt das Ladegerät das Speichermedium und das Speichermedium liefert Leistung an den Superkondensator, um den Gabelstapler zu betreiben.
  • Weitere Aspekte der Erfindung ergeben sich dem Fachmann bei Betrachtung der folgenden Beschreibung spezifischer Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den beiliegenden Figuren oder durch Kombinieren der verschiedenen Aspekte der Erfindung, wie oben beschrieben.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die vorliegende Erfindung wird nun lediglich beispielhaft unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
  • 1 ein Blockdiagramm eines Superkondensator-Ladesystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
  • 2 ein Flussdiagramm eines Superkondensator-Ladeverfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
  • 3 ein Schemadiagramm eines Superkondensator-Ladesystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
  • 4 eine Tabelle, die Werte einer Schaltungsanordnungskomponente zeigt, in 3 dargestellt, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
  • 5 ein Beispiel eines Superkondensator-Ladesystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
  • 6 ein modulares Layout eines Superkondensator-Ladesystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
  • 7 und 8 Beispiele einer praktischen Anwendung eines Superkondensator-Ladesystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
  • 9 eine Tabelle, die Vorteile eines Superkondensator-Ladesystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung im Vergleich mit herkömmlichen Batterien zeigt,
  • 10 und 11 Liniendiagramme, die Drehmoment und Leistungsabgabe von dem Superkondensator-Ladesystem zeigen, und ein Verfahren, im Vergleich zu herkömmlichen Batterien,
  • 12 Liniendiagramme, die ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis und die Leistungsabgabe von dem Superkondensator-Ladesystem und -verfahren zeigen, im Vergleich zu einer herkömmlichen Batterie.
  • Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung
  • 1 veranschaulicht ein Blockdiagramm eines Superkondensator-Ladesystems 100 für ein Fahrzeug gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • Das Superkondensator-Ladesystem 100 kann eine Teilmenge eines Systems mit hoher kinetischer Entladung sein. Das Superkondensator-Ladesystem 100 enthält mindestens einen Superkondensator 110 als ein sofortiges Hauptenergieperipheriereservoir, einen Stabilisierungs- und Ausgleichscontroller 130, einen Ladungsabgleichscontroller 140 und einen Energiemanagementcontroller 150.
  • Wenngleich nicht gezeigt, kann das Superkondensator-Ladesystem 100 sechs (6) Superkondensatoren 110 enthalten. Dabei kann die Anzahl des Superkondensators 110 von einem Fahrzeugtyp abhängen. Wenngleich nicht gezeigt, ist der Superkondensator 110 mit dem Ladungsabgleichscontroller 140 integriert. Bei verschiedenen Ausführungsformen, wo die Ausgabeleistungsanforderung höher ist, kann die Anzahl an Superkondensatoren 110 über sechs liegen. Bei anderen Ausführungsformen können die Superkondensatoren 110 weniger als sechs sein.
  • Ein Kondensator ist ein Energiespeichermedium ähnlich einer elektrochemischen Batterie. Ein Superkondensator ist ein Hochkapazitätskondensator mit Kapazitätswerten, die viel höher liegen als ein typischer Kondensator der gleichen Größe. Der Superkondensator 110, auch als ein Ultrakondensator bezeichnet, eignet sich deshalb als ein Ersatz für elektrochemische Batterien in vielen industriellen und kommerziellen Anwendungen. Dafür wird der Superkondensator 110 der Ausführungsform der Erfindung durch den Energiemanagementcontroller 150 präzise auf dem Lade- und Entladeprozess verwaltet.
  • Der Superkondensator 110 kann mit Graphen dotiert sein. Bei einigen Ausführungsformen wird die Dotierung durch Diffundieren des Superkondensators 110 mit Graphen erzielt. Beispielsweise wird der Superkondensator 110 mit 3% bis 10% feinem Graphengittermaterial auf einen Aktivkohlefilm diffundiert. Es versteht sich, dass die Ausführungsformen nicht auf den obigen Bereich und das obige Gittermaterial beschränkt sind, als solches kann ein anderer Bereich von Graphendiffusion, wie 1% bis 15%, 2% bis 8%, möglich sein.
  • Das Graphen ist im Grunde eine einzelne Atomschicht aus Graphit. Das Graphen ist ein reichlich vorhandenes Mineral, das ein Allotrop von Kohlenstoff ist, das aus sehr eng gebondeten Kohlenstoffatomen besteht, die zu einem hexagonalen Gitter organisiert sind. Das Graphen besitzt die Sp2-Hybridisierung und eine sehr geringe atomare Dicke (0,345 nm). Es sind diese Eigenschaften, die es dem Graphen ermöglichen, so viele Rekorde bezüglich Festigkeit, Elektrizitäts- und Wärmeleitung zu brechen. In dieser Hinsicht besitzt der Graphen-diffundierte Superkondensator 110 eine hohe Energiespeicherfähigkeit aufgrund einer hohen Porosität der Graphen-Nanostruktur, um einen hohen Flächeninhalt für eine Speicherung mit hoher Energiedichte zu erzielen. Außerdem besitzt der Graphen-diffundierte Superkondensator 110 einen Niedertemperaturbetrieb und kann mit minimalem Effekt auf die Effizienz Energie bis zu –40°C liefern.
  • Als ein Beispiel kann das Dotieren des Graphengitters in eine Aktivkohleanode eine elektrische Eigenschaft abändern, insbesondere den Widerstandswert eines elektrischen Reihenwiderstände (im Folgenden als ein „ESR“ bezeichnet) senken, so dass Elektron-Loch-Paar-Mobilitätsladungsträger in einem Elektrolyt-eingebetteten Gebiet des Superkondensators 110 sich mit einer hohen Geschwindigkeitsrate bewegen können. Ein derartiges Merkmal sorgt für schnelle Ladung und Entladung durch eine Absorption und Freigabe einer Ionenzusammensetzung. Mit anderen Worten ist es aufgrund der extrem niedrigen Eigenschaften des Graphens bezüglich spezifischem Widerstand diesem gestattet, auf eine beliebige externe Last und das Speichermedium 120 als einen Pufferenergiespeicher zu entladen, um den Graphen-diffundierten Superkondensator 110 aufzufüllen, der Schnellladeeigenschaften besitzt.
  • Das Superkondensator-Ladesystem 100 enthält weiterhin ein Speichermedium 120 als ein Pufferenergiereservoir. Das Speichermedium 120 kann eine Redox-Batterie sein. Ein Beispiel für das Speichermedium 120 ist ein Lithium-Eisenphosphat-Medium (LiFePO4-Medium), und ein Beispiel für die Pufferenergie ist elektrische Energie. Es versteht sich, dass das Speichermedium 120 nicht auf das Lithium-Eisenphosphat-Medium beschränkt ist, sondern andere Formen von Batterien beinhalten kann, die sich zur Verwendung beim Starten und bei der Bereitstellung elektrischer Energie oder anderer Energie für ein Fahrzeug geeignet sind. Außerdem versteht sich, dass die Pufferenergie nicht auf die elektrische Energie beschränkt ist, sondern andere Energieformen wie etwa chemische Energie beinhalten kann.
  • Die Funktionen des Speichermediums 120 und eines externen Ladegeräts 170 können gemäß dem Fahrzeugtyp variieren. Wenn beispielsweise das Superkondensator- Ladesystem 100 in einem Wagen installiert ist, kommt die Hauptquelle einer Eingabeladung von dem externen Ladegerät 170, zum Beispiel dem Wechselstromgenerator. Das Speichermedium 120, zum Beispiel Lithium-Eisenphosphat-Medium, liefert eine erste Initialladung an den Superkondensator 110.
  • Bei einer anderen Ausführungsform, wo das Superkondensator-Ladesystem 100 in einem Gabelstapler installiert ist, lädt das externe Ladegerät 170, zum Beispiel ein Ladegerät, das Speichermedium 120, zum Beispiel Lithium-Eisen-Phosphat-Medium, und das Speichermedium 120 kann die Hauptquelle zum Liefern elektrischer Leistung an den Superkondensator 110 sein, um den Gabelstapler zu betreiben.
  • Der Energiemanagementcontroller 150 steuert das Laden und Entladen des Superkondensators 110 und des Speichermediums 120 für eine Energieverteilung. Um sie zu steuern, ist der Energiemanagementcontroller 150 mit dem Superkondensator 110 und dem Speichermedium 120 gekoppelt.
  • Insbesondere kann der Energiemanagementcontroller 150 betätigt werden zum Entladen des Speichermediums 120, um den Superkondensator 110 mit Schnellladefähigkeit zu laden. Außerdem detektiert der Energiemanagementcontroller 150 eine Ladungsmenge und bestimmt auf der Basis der Ladungsmenge, ob geladen oder das Laden gestoppt werden soll. Die Ladungsmenge beinhaltet mindestens eine einer Ladungsmenge des Speichermediums 120 und einer Ladungsmenge des Superkondensators 110.
  • Beispielsweise kann der Energiemanagementcontroller 150 eine Ladungsmenge des Speichermediums 120 detektieren. Falls die Ladungsmenge unter einer vorbestimmten Menge liegt, bestimmt der Energiemanagementcontroller 150 das Laden des Speichermediums 120. Dabei bestimmt, falls die Ladungsmenge größer oder gleich der vorbestimmten Menge ist, der Energiemanagementcontroller 150, das Laden des Speichermediums 120 zu stoppen.
  • Somit besitzt der Energiemanagementcontroller 150 eine Sequentiell-Mapping-Selbstladefähigkeit, die eines der Reservoire, z.B. das Speichermedium 120, wieder auflädt, wenn das Spannungspotential um ein vorbestimmtes Ausmaß abfällt, zum Beispiel 10% seiner maximalen Spannungsspeicherkapazität. Somit erzeugt das Superkondensator-Ladesystem 100 eine hocheffiziente Leistungserhaltung und besitzt ein Selbstdiagnosemerkmal.
  • Für ein weiteres Beispiel kann der Energiemanagementcontroller 150 eine Ladungsmenge des Superkondensators 110 detektieren. Falls die Ladungsmenge unter einer vorbestimmten Menge liegt, bestimmt der Energiemanagementcontroller 150, den Superkondensator 110 zu laden. Dabei bestimmt, falls die Ladungsmenge größer oder gleich der vorbestimmten Menge ist, der Energiemanagementcontroller 150, das Laden des Superkondensators 110 zu stoppen.
  • Der Prozess des Entladens und Ladens des Speichermediums 120 kann wiederholt vorkommen. Außerdem kommt der Prozess des Ladens und Entladens des Superkondensators 110 wiederholt vor.
  • Der Energiemanagementcontroller 150 kann betätigt werden zum Berechnen einer Fourier-Transformations-Linienintegrations-Formulierung für eine Spannungsdifferentialoptimierung, um Eingangsvariablen in eine Ausgabe zu transformieren. Insbesondere kann der Energiemanagementcontroller 150 die Fourier-Transformations-Linienintegrations-Formulierung mit einem voreingestellten Intervall, zum Beispiel alle 11 ns, berechnen, um das Laden und Entladen diskreter Quantenenergie auf eine Fahrzeugmotorlast 180 zu optimieren. Zum Berechnen der Fourier-Transformations-Linienintegrations-Formulierung enthält der Energiemanagementcontroller 150 einen oder mehrere Sensoren zum Messen und Erfassen von Eingangsvariablen und eine Datenbank zum Speichern mindestens einer der Eingangsvariablen und Ausgangsvariablen. Es versteht sich, dass der eine oder die mehreren Sensoren harte und weiche Sensoren beinhalten können. Deshalb erfolgt das Messen der Eingangsvariablen oder Parameter durch das Messen des Energiemanagementcontrollers 150, insbesondere das Messen des Algorithmusfirmwaremodems 151. Der Energiemanagementcontroller 150 transformiert die Zeilen und Spalten, berechnet die Anzahl an Signalpunkten, führt eine Bitumkehrung durch, berechnet die Fast-Fourier-Transformation und skaliert bezüglich Vorwärtstransformation.
  • Insbesondere können bei einigen Ausführungsformen die Eingangsvariablen Composite-Signale einer Fahrzeugstromcontrollereinheit (im Folgenden als „ECU“ bezeichnet) und eines Spannungsdifferentials und Stromdifferentials umfassen, durch den einen oder die mehreren Sensoren detektiert, die einen Spannungsmesser, Strommesser und Stromleistungsmesser beinhalten können, die Hand in Hand mit weichen Sensoren arbeiten, um etwaige resultierende Spannungsdifferential- und Stromdifferentialsignale zu erhalten. Diese Eingangsvariablen werden dann durch den Fourier-Transformationsalgorithmus verarbeitet, der die Frequenzvarianz und Phasenverschiebung synchronisiert. Bei einigen Ausführungsformen kann der Fourier-Transformationsalgorithmus eine Fast-Fourier-Transformation (FFT) sein. Bei anderen Ausführungsformen verwendet der Fourier-Transformationsalgorithmus eine Linienvektorintegration zur Spannungs- und Stromoptimierung. Die Ausgangsvariablen können durch sequentielle Integration für Stabilisierung, Abgleich, Rauschunterdrückung, Filterung von elektromagnetischem Gegenfeld (im Folgenden als „EMF“ bezeichnet) und elektromagnetischer Interferenz (im Folgenden als „EMI“ bezeichnet) manipuliert werden.
  • Auf diese Weise kann der Energiemanagementcontroller 150 die Normalisierungskurven zum Vergleich mit dem Referenzspannungssignal für eine Spannungsdifferentialoptimierung alle 11 ns berechnen. Wenngleich nicht gezeigt, kann der Energiemanagementcontroller 150 einen Hauptreferenztakt für die Kreuzreferenz nutzen.
  • Die Fourier-Transformation ist ein Algorithmus, der für die Signalverarbeitung, Bildverarbeitung und Datenkompression genutzt wird. Die Fourier-Transformation kann beschrieben werden als Multiplizieren eines Eingangsvektors x von n Zahlen durch eine bestimmte n-mal-n-Matrix Fn, eine diskrete Fourier-Transformationsmatrix (im Folgenden als eine „DFT-Matrix“ bezeichnet) genannt, um einen Ausgangsvektor y von n Zahlen zu erhalten: y = Fn·x. Dies ist einer der einfachsten Wege zum Beschreiben der Fourier-Transformation und zeigt, dass eine unkomplizierte Implementierung mit zwei verschachtelten Schleifen 2n2 Operationen kosten würde. Die Bedeutung der Fourier-Transformation besteht darin, dass sie diesen Matrixvektor in lediglich O (nlogn) Schritten unter Verwendung von Teile-und-Herrsche durchführt. Zudem ist es möglich, x aus y zu berechnen, d.h. x = F–1 ny, unter Verwendung fast des gleichen Algorithmus, zu berechnen. Praktische Verwendungen der Fourier-Transformation benötigen sowohl das Multiplizieren mit Fn als auch F–1 n.
  • Die Fourier-Transformation kann auch als Evaluieren eines Polynoms mit Koeffizienten in x bei einer speziellen Menge von n Punkten beschrieben werden, um n Polynomwerte in y zu erhalten. Diese Polynomevaluierung-Interpretation wird verwendet, um einen O(nlogn)-Algorithmus abzuleiten. Die inverse Operation wird als Interpolation bezeichnet: Bei gegebenen Werten des Polynoms y, finde seine Koeffizienten x. Um die oben erwähnte Signalverarbeitungsinterpretation weiter zu verfolgen, stelle man sich das Messen eines Spektrums einer Signalwellenlänge mit einer Menge von Noten vor. Jede Note besitzt eine charakteristische Frequenz (zum Beispiel mittleres A ist 440 Schwingungen pro Sekunde). Das Digitalisieren dieses Wellenlängenspektrums erzeugt eine Sequenz von Zahlen, die diese Menge von Noten darstellen, durch Messen der beabstandeten Abtastzeiten t1, t2, ..., ti, wobei ti = i·∆t ist, ∆t das Intervall zwischen aufeinanderfolgenden Abtastwerten ist, und 1/∆t als die Abtastfrequenz bezeichnet wird. Falls es nur die einzelne und reine Mittel-A-Frequenz gäbe, dann würde die Sequenz von Zahlen, die diese Noten darstellen, eine Sinuskurve bilden, xi = d·sin(2·π·ti·440). Als ein Beispiel sei 1/∆t = 45056 pro Sekunde (oder 45056 Hertz) angenommen, was eine annehmbare 1-Abtastfrequenz für die Signalnote ist. Das Skalar d ist die größte Amplitude der Kurve, die von der Signalstärke und -optimierung abhängt.
  • Dabei verursacht die Schwingung des Superkondensators 110 eine induzierte Frequenz. Zudem kommt eine Rauschspannung von mindestens einem eines externen Ladegeräts 170, zum Beispiel eines Wechselstromgenerators, einem Generators, einem Magnetzünder und einem Zündsystem wie etwa einer Kondensatorentladungszündung (im Folgenden als eine „CDI“ bezeichnet) des Fahrzeugs. Die Rauschspannung muss verbessert oder reduziert werden, um Motorschwingung(en) zu reduzieren und eine erwünschte Ausgabe mit guter Leistungsqualität zu liefern.
  • Der Energiemanagementcontroller 150 verwaltet deshalb die Energieverteilung durch Koppeln mit dem Stabilisierungs- und Ausgleichscontroller 130 und dem Ladungsabgleichscontroller 140. Der Energiemanagementcontroller 150 kann mit dem Stabilisierungs- und Ausgleichscontroller 130 und dem Ladungsabgleichscontroller 140 für die transiente Rauschspannungsunterdrückung, die Frequenzstabilisierung und den Frequenzabgleich der Gesamtenergieverteilung synchronisiert werden.
  • Somit kann der Stabilisierungs- und Ausgleichscontroller 130 betätigt werden zum Dämpfen der Rauschspannung für die Spannungsstabilisierung der Gesamtenergieverteilung. Außerdem kann der Ladungsabgleichscontroller 140 betätigt werden zum Unterdrücken einer Überladung des Superkondensators 110. Somit ist es dem Superkondensator-Ladesystem 100 gestattet, eine Leistung wie etwa ein Leistungs-Drehmoment-Verhältnis zu verbessern, eine Qualität eines Beleuchtungssystems des Fahrzeugs zu verbessern, eine Qualität eines Schallsystems des Fahrzeugs zu verbessern, die Lebensdauer des Superkondensators 110 und des Speichermediums 120 zu verlängern und Kraftstoffeinsparungen zu ermöglichen.
  • Das Superkondensator-Ladesystem 100 enthält weiterhin ein System zur Rückgewinnung kinetischer Energie (im Weiteren als ein „KERS“ bezeichnet) 160 und ein externes Ladegerät 170.
  • Das KERS 160 ist ein automotives System zum Rückgewinnen der kinetischen Energie eines sich bewegenden Fahrzeugs beim Bremsen. Die zurückgewonnene Energie wird in einem Reservoir, zum Beispiel einem Schwungrad oder Hochspannungsbatterien, zur späteren Verwendung bei Beschleunigung gespeichert. Insbesondere ist das KERS 160 mit dem Superkondensator-Ladesystem 100 als einem externen Medium verbunden. Der Energiemanagementcontroller 150 verwaltet die Energieverteilung durch Koppeln mit dem KERS 160.
  • Insbesondere kann das KERS 160 betätigt werden zum Erfassen kinetischer Energie beim Bremsen des Fahrzeugs. Das KERS 160 wandelt die kinetische Energie durch einen Traktionsmotor in elektrische Energie um und transferiert die umgewandelte Energie in mindestens einen des Superkondensators 110 und des Speichermediums 120, so dass die diskrete kinetische Energie in dem Superkondensator 110 und dem Speichermedium 120 wiederverwendet werden kann. Außerdem kann das KERS 160 betätigt werden zum Hochfahren des Superkondensator-Ladesystems 100, so dass das Superkondensator-Ladesystem 100 Leistung an das Fahrzeug liefern kann. Infolgedessen kann bei einer Ausführungsform das Fahrzeug starten. Bei anderen Ausführungsformen sind Elektronikeinrichtungen des Fahrzeugs, z.B. Navigationseinrichtung und Blackbox, in der Lage zu arbeiten.
  • Das externe Ladegerät 170 ist auch mit dem Superkondensator-Ladesystem 100 als einem externen Medium verbunden. Der Energiemanagementcontroller 150 verwaltet die Energieverteilung durch Koppeln mit dem externen Ladegerät 170.
  • Das externe Ladegerät 170 enthält einen Induktionsspulenmotor, der eine elektromagnetische induziert Potentialenergie erzeugt, wenn sich ein Rotorkern innerhalb von Statorkernwicklungen schnell dreht. Das externe Ladegerät 170 kann betätigt werden zum Hochfahren des Superkondensator-Ladesystems 100, so dass das Superkondensator-Ladesystem 100 Leistung an das Fahrzeug liefern kann. Das externe Ladegerät 170 beinhaltet mindestens einen eines Wechselstromgenerators, eines Generators und eines Ladegeräts. Der Typ des externen Ladegeräts 170 kann je nach Fahrzeugtyp variieren.
  • 2 veranschaulicht ein Flussdiagramm eines Superkondensator-Ladeverfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • Zuerst koppelt der Energiemanagementcontroller 150 mit dem Superkondensator 110 und dem Speichermedium 120 (S110). Der Energiemanagementcontroller 150 kann betätigt werden zum Steuern des Ladens und Entladens des Superkondensators 110 und des Speichermediums 120 für eine Energieverteilung. Wenngleich nicht gezeigt, kann der Energiemanagementcontroller 150 den Superkondensator 110 und das Speichermedium 120 separat steuern. Dabei kann der Energiemanagementcontroller 150 den Superkondensator 110 und das Speichermedium 120 zur gleichen Zeit steuern.
  • Der Energiemanagementcontroller 150 enthält ein Algorithmusfirmwaremodem 151, das ein programmierbarer Chip ist und betätigt werden kann zum Unterstützen von Elektronikkomponenten des Superkondensator-Ladesystems 100. Ein Benutzer kann über eine nichtgezeigte Benutzerschnittstelle einen Befehl in das Algorithmusfirmwaremodem 151 eingeben.
  • Beispielsweise kann der Benutzer den Befehl so eingeben, dass der Energiemanagementcontroller 150 das Laden des Speichermediums 120 starten kann, wenn die Lademenge unter einer vorbestimmten Menge liegt. Dann kann der Energiemanagementcontroller 150 gemäß dem Befehl arbeiten.
  • Für ein weiteres Beispiel kann der Benutzer den Befehl so eingeben, dass der Energiemanagementcontroller 150 das Laden des Superkondensators 110 starten kann, wenn die Lademenge unter einer vorbestimmten Menge liegt. Dann kann der Energiemanagementcontroller 150 gemäß dem Befehl arbeiten. Dabei kann, wenngleich nicht gezeigt, die „vorbestimmte Menge“ ohne den Befehl des Benutzers vorliegen.
  • Der Energiemanagementcontroller 150 detektiert die Ladungsmenge (S120). Der Energiemanagementcontroller 150 kann die Leistung überwachen, zum Beispiel die Ladungsmenge. Die Ladungsmenge beinhaltet mindestens eine einer Ladungsmenge des Speichermediums 120 und einer Ladungsmenge des Superkondensators 110.
  • Danach bestimmt der Energiemanagementcontroller 150 auf der Basis der Ladungsmenge, ob geladen oder das Laden gestoppt werden soll (S130).
  • Falls beispielsweise die Ladungsmenge unter der vorbestimmten Menge liegt, bestimmt der Energiemanagementcontroller 150, das Speichermedium 120 zu laden. Dann wird das Speichermedium 120 geladen (S140). Falls für ein weiteres Beispiel die Ladungsmenge unter der vorbestimmten Menge liegt, bestimmt der Energiemanagementcontroller 150, den Superkondensator 110 zu laden. Dann wird der Superkondensator 110 geladen (S140).
  • Falls andererseits die Ladungsmenge größer oder gleich der vorbestimmten Menge ist, bestimmt der Energiemanagementcontroller 150, das Laden zu stoppen. Wenngleich nicht gezeigt, überwacht der Energiemanagementcontroller 150 weiterhin die Leistung.
  • Wenngleich nicht gezeigt, kann, während einer des Superkondensators 110 und des Speichermediums 120 geladen wird, ein anderer des Superkondensators 110 und des Speichermediums 120 entladen werden.
  • Somit besitzt der Energiemanagementcontroller 150 eine Sequentiell-Mapping-Selbstladefähigkeit, erzeugt eine hocheffiziente Leistungsrückhaltung und besitzt ein Selbstdiagnosemerkmal.
  • Dabei koppelt der Energiemanagementcontroller 150 mit dem Stabilisierungs- und Ausgleichscontroller 130 und dem Ladungsabgleichscontroller 140 (S150). Der Energiemanagementcontroller 150 kann mit dem Stabilisierungs- und Ausgleichscontroller 130 und dem Ladungsabgleichscontroller 140 synchronisiert sein, um die Energieverteilung zu verwalten.
  • Der Stabilisierungs- und Ausgleichscontroller 130 dämpft eine Rauschspannung (S160) für die Spannungsstabilisierung der Gesamtenergieverteilung. Weiterhin unterdrückt der Ladungsabgleichscontroller 140 eine Überladung des Superkondensators 110 (S170). Somit ist es dem Superkondensator-Ladesystem 100 gestattet, eine Leistung wie etwa nicht nur das Leistungs-Drehmoment-Verhältnis zu verbessern, sondern auch die abgegebene Pferdestärke, eine Qualität des Fahrzeugsystems zu verbessern und Kraftstoffeinsparungen zu ermöglichen.
  • Der Energiemanagementcontroller 150 kann eine erste Gruppe der Schritte (S110 bis S140) gleichzeitig mit einer zweiten Gruppe der Schritte (S150 bis S170) betreiben. Andererseits kann der Energiemanagementcontroller 150 die erste Gruppe der Schritte und die zweite Gruppe der Schritte in sequentieller Reihenfolge betreiben. Beispielsweise kann der Energiemanagementcontroller 150 die erste Gruppe der Schritte betreiben und dann die zweite Gruppe der Schritte betreiben.
  • 3 veranschaulicht ein Schemadiagramm eines Superkondensator-Ladesystems 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Insbesondere zeigt 3 das Schemadiagramm des Superkondensator-Ladesystems 100, das eine Spannungsabgleichsschaltungsanordnung bezüglich des Ladungsabgleichscontrollers 140, eine Stabilisierungs- und Abgleichsschaltungsanordnung bezüglich des Stabilisierungs- und Ausgleichscontrollers 130 und eine Energiemanagementfirmwareschaltungsanordnung bezüglich des Energiemanagementcontrollers 150 umfasst. 4 veranschaulicht eine Tabelle, die Werte einer in 3 dargestellten Schaltungsanordnungskomponente gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt.
  • Die Superkondensatoren 110 (UC1 bis UC7) befinden sich in der Spannungsabgleichsschaltungsanordnung. Die Spannungsabgleichsschaltungsanordnung umfasst in Reihe zwischen jeder Zelle eine Leuchtdiode (im Folgenden als eine „LED“ bezeichnet) und eine Zenerdiode. Insbesondere sind die LED und die Zenerdiode in Reihe zwischen jedem Superkondensator 110 verdrahtet.
  • Beispielsweise kann der maximale Voltwert des Superkondensators 110 2,7 V betragen, ist aber nicht auf diesen Wert beschränkt. Diese elektrischen Komponenten bewirken, dass eine etwaige Spannung über 2,7 Volt durch die Zenerdiode und die LED entladen wird, was bewirkt, dass die LED aufleuchtet und bewirkt, dass der Superkondensator 110 entladen wird, bis er 2,7 Volt erreicht. Beim Laden ist, wenn alle die LEDs aufleuchten, dies eine Anzeige, dass alle die Superkondensatoren 110 vollständig aufgeladen und abgeglichen sind.
  • Die Stabilisierungs- und Ausgleichsschaltungsanordnung umfasst eine Mehrheit von Kondensatoren und einen Widerstand. Die Stabilisierungs- und Ausgleichsschaltungsanordnung arbeitet als ein Dämpfer für die Rauschspannungsunterdrückung. Jeder kundenspezifische Kondensator wird so gewählt, dass die Menge an Rauschspannung reduziert wird, die verschieden ist. Je kleiner der Wert seiner Kapazität, umso höher ist die von dem elektrischen System zu unterdrückende Frequenz. Das Algorithmusfirmwaremodem 151 der Energiemanagementfirmware 150 verwendet einen Makrosubroutinenbefehl zum Variieren der Kapazitäten und Spannung der Schaltungsanordnung für die elektrische Stabilisierung und den Abgleich des Fahrzeugs.
  • Allgemeine Defekte und/oder die Rauschspannung kommen von mindestens einem des externen Ladegeräts 170, zum Beispiel einem Wechselstromgenerator, dem Generator, dem Magnetzünder und dem Zündsystem, wie etwa der CDI des Fahrzeugs. Die Rauschspannung muss verbessert oder reduziert werden, um Motorschwingung(en) zu reduzieren und eine erwünschte Ausgabe mit guter Leistungsqualität bereitzustellen.
  • Die Energiemanagementfirmwareschaltungsanordnung umfasst eine Mehrheit von Kondensatoren, eine Mehrheit von Registern, eine Diode, einen Induktor und das Algorithmusfirmwaremodem 151. Das Algorithmusfirmwaremodem 151 ist ein programmierbarer Chip und wirkt als ein programmierbarer Lade- und Entlade-Quantenenergiecontroller, ein Sperr- und ein Durchlasswandler-Vergleicher. Insbesondere sind der Sperr- und der Durchflusswandler-Vergleicher in der Rückkopplungsschleife der Mapping-Signalintegration herausgestellt, wo die Firmware die Normalisierungskurven für den Vergleich mit dem Referenzspannungssignal für eine Spannungsdifferentialoptimierung alle 11 ns berechnet.
  • Das Algorithmusfirmwaremodul 151 besitzt einen breiten Eingangsspannungsbereich, z.B. 9 V bis 20 V, mit einer programmierbaren Arbeitsgeschwindigkeit von 20 MHz Oszillatortakteingang und 200 ns Anweisungszyklus. Es versteht sich, dass der Eingangsspannungsbereich je nach dem Fahrzeugtyp variieren kann. Das programmierbare Modem enthält einen programmierbaren Codeschutz und Impulsbreitenmodulations-(im Folgenden als „PWM“ bezeichnet)Hochausdauer-Schutzmodus, um eine assoziierte Schutzschaltungsanordnung bereitzustellen, die aus Strom-/thermischer Beschränkung und Unterspannungsabschaltung besteht.
  • Das Algorithmusfirmwaremodem 151 besitzt einen über Software wählbaren Frequenzbereich von 32 kHz bis 8 MHz. Außerdem besitzt das Algorithmusfirmwaremodem 151 einen chipinternen Oszillator, der keine externen Komponenten erfordert, einen Weichstartmodus zum Reduzieren eines Einschaltstroms während des Hochfahrens und eine Strommodussteuerung für verbesserte Zurückweisung von Eingangsspannungs- und Ausgangslasttransienten.
  • Durch eine schaltungsinterne Programmierung des Modemchips kann das Algorithmusfirmwaremodem 151 einen unterschiedlichen Lade- und Entladeausgabequantenpegel im realen dynamischen Modus für ein effizientes Energiemanagement des KERS 160 und des den Superkondensator 110 und das Speichermedium 120 ladenden externen Ladegeräts 170 auslösen.
  • 5 veranschaulicht ein Beispiel eines Superkondensator-Ladesystems 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • Wie in 5(a) und (b) gezeigt, wird jede Komponente als das Superkondensator-Ladesystem 100 zusammengebaut. Das Superkondensator-Ladesystem 100 umfasst den Superkondensator 110 als ein sofortiges Hauptenergieperipheriereservoir, den Stabilisierungs- und Ausgleichscontroller 130, den Ladungsabgleichscontroller 140 und den Energiemanagementcontroller 150. Das Superkondensator-Ladesystem 100 kann weiterhin das KERS 160 und das externe Ladegerät 170, z.B. einen Wechselstromgenerator, umfassen. Das Superkondensator-Ladesystem 100 kann weiterhin ein Speichermedium 120 enthalten. Ein Beispiel des Speichermediums 120 ist ein Lithium-Eisenphosphat-Medium (LiFePO4-Medium).
  • Die Funktionen des Speichermediums 120 und eines externen Ladegeräts 170 können je nach dem Fahrzeugtyp variieren, z.B. Wagen und Gabelstapler, wie in 5(a) und (b) gezeigt.
  • 5(a) zeigt ein Superkondensator-Ladesystem 100 zur Installation in einem Wagen. In dieser Ausführungsform kommt die Hauptquelle einer elektrischen Eingabe von dem externen Ladegerät 170, z.B. einem Wechselstromgenerator. Das Speichermedium 120, z.B. Lithium-Eisenphosphat-Medium, liefert eine erste Initialladung an den Superkondensator 110. In dieser Ausführungsform kann das Superkondensator-Ladesystem 100 von dem Speichermedium 120 getrennt sein, da die elektrische Energie (z.B. Benzin oder Diesel) an das Superkondensator-Ladesystem 100 geliefert wird.
  • 5(b) zeigt ein Superkondensator-Ladesystem 100 zur Installation in einem Gabelstapler. In dieser Ausführungsform lädt das externe Ladegerät 170, z.B. ein Ladegerät, das Speichermedium 120, z.B. Lithium-Eisenphosphat-Medium, und das Speichermedium 120 liefert elektrische Leistung an den Superkondensator 110. Mit anderen Worten kann das Speichermedium 120 eine Hauptquelle sein, um die elektrische Leistung an den Superkondensator 110 zu liefern, um den Gabelstapler zu betreiben. In dieser Ausführungsform kann das Superkondensator-Ladesystem 100 von dem Speichermedium 120 abhängen, um die elektrische Energie zu erhalten.
  • 6 veranschaulicht ein modulares Layout eines Superkondensator-Ladesystems 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • Das Superkondensator-Ladesystem 100 umfasst den Superkondensator 110 als ein sofortiges Hauptenergieperipheriereservoir, das Speichermedium 120 als ein Pufferenergiereservoir, den Stabilisierungs- und Ausgleichscontroller 130, den Ladungsabgleichscontroller 140 und den Energiemanagementcontroller 150. Wie in 6 gezeigt, kann der Superkondensator 110 mit dem Ladungsabgleichscontroller 140 integriert sein.
  • Das Superkondensator-Ladesystem 100 kann weiterhin das KERS 160 und das externe Ladegerät 170, z.B. einen Wechselstromgenerator, als externe Medien umfassen.
  • Das KERS 160 enthält im Grunde einen elektrischen Traktionsmotor, der die mechanische kinetische Energie während des Bremsens in elektrische Energie umwandelt und die regenerative Energie in das Speichermedium wie das Fahrzeugbatteriereservoir transferiert. Das KERS 160 wurde in der Motorsportformel in 2013 verwendet. Einer der Gründe, dass nicht alle Fahrzeuge das KERS 160 verwenden, besteht darin, dass das KERS 160 den Fahrzeugschwerpunkt anhebt und die Menge an Ballast reduziert, die zur Verfügung steht, um das Fahrzeug abzugleichen, damit es bei Kurvenfahrt stärker vorhersagbar ist.
  • Wie oben beschrieben wandelt das KERS 160 die kinetische Energie durch einen Traktionsmotor in elektrische Energie um und transferiert die umgewandelte Energie in mindestens einen des Superkondensators 110 und des Speichermediums 120, so dass die diskrete kinetische Energie in dem Superkondensator 110 und dem Speichermedium 120 wiederverwendet werden kann. Außerdem kann das KERS 160 betätigt werden zum Hochfahren des Superkondensator-Ladesystems 100, so dass das Superkondensator-Ladesystem 100 Leistung an das Fahrzeug liefern kann.
  • Das externe Ladegerät 170 enthält einen Induktionsspulenmotor, der eine elektromagnetische induziert Potentialenergie erzeugt, wenn sich ein Rotorkern innerhalb von Statorkernwicklungen schnell dreht. Das externe Ladegerät 170 kann betätigt werden zum Hochfahren des Superkondensator-Ladesystems 100, so dass das Superkondensator-Ladesystem 100 Leistung an das Fahrzeug liefern kann.
  • Der Energiemanagementcontroller 150 verwaltet die Energieverteilung durch Koppeln mit dem KERS 160 und dem externen Ladegerät 170. Insbesondere ist die Algorithmusfirmwarespektralbandbreite (obere und untere Schutzband-Bandbreite) des Algorithmusfirmwaremodems 151 individualisiert, um die durch den Traktionsmotor des KERS 160 generierte elektrische Energie zu erfassen.
  • Wie oben beschrieben, verwaltet der Energiemanagementcontroller 150 weiterhin die Energieverteilung durch Koppeln mit dem Stabilisierungs- und Ausgleichscontroller 130 und dem Ladungsabgleichscontroller 140. Der Energiemanagementcontroller 150 steuert im Grunde das Laden und Entladen des Superkondensators 110 und des Speichermediums 120.
  • Die 7 und 8 veranschaulichen Beispiele einer praktischen Anwendung eines Superkondensator-Ladesystems 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • 7 zeigt Beispiele einer praktischen Anwendung eines in einem Wagen installierten Superkondensator-Ladesystems 100.
  • Wie in 7(a) und (b) gezeigt, kann das Superkondensator-Ladesystem 100 den 2,4 L-Motor-Wagen sofort zünden. Wie in 7(c) und (d) gezeigt, kann das Superkondensator-Ladesystem 100 in dem Fahrzeug mit Vierradantrieb zum Zünden installiert werden. Wie in 7(e) und (f) gezeigt, kann das Superkondensator-Ladesystem 100 auch im Batteriefach des 328i-Fahrzeugs installiert werden, die toxische Batterie, z.B. die Blei-Säure-Batterie, ersetzend.
  • 8 zeigt Beispiele einer praktischen Anwendung eines in einem Gabelstapler installierten Superkondensator-Ladesystem 100.
  • Wie in 8(a), (b) und (c) gezeigt, lädt das externe Ladegerät 170, z.B. ein Ladegerät, das Speichermedium 120, z.B. ein Lithium-Eisenphosphat-Medium, und das Speichermedium 120 kann eine Hauptquelle zum Liefern elektrischer Leistung an den Superkondensator 110 sein. Danach kann das Superkondensator-Ladesystem 100 elektrische Leistung an den Gabelstapler-Gleichstromelektromotor liefern, um den Gabelstapler zu betreiben. Wenngleich nicht gezeigt, kann das Superkondensator-Ladesystem 100 auch elektrische Leistung an den elektrischen Anlassergleichstrommotor eines Fischerboots liefern und kann durch ein Solarenergiepanel hochgefahren werden, wodurch die Dieselnutzung ersetzt wird.
  • Wie in 7 und 8 gezeigt, ist das Fahrzeug nicht auf ein Kraftfahrzeug, wie etwa ein Gasmotorfahrzeug und ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug, beschränkt. Das Fahrzeug beinhaltet ein elektrisches Wasserboot, ein industrielles Schwerfahrzeug wie etwa einen Gabelstapler und einen Lastwagen und ein anderes tragbares Leistungsspeichermedium. Zusammengefasst beinhaltet das Fahrzeug ein Bodenfahrzeug, ein Unterwasserfahrzeug und ein Luftfahrzeug.
  • Wenn das Superkondensator-Ladesystem 100 in das Batteriefach des Fahrzeugverbrennungsmotors eingebaut ist, die nicht-umweltfreundliche Batterie, z.B. Blei-Säure-Batterie, vollständig ersetzend, kann der Fahrzeugmotor leicht gezündet werden und das Fahrzeug kann eine sofortige, an den Superkondensator 110 gelieferte Energieerhöhung empfangen und der Benutzer (Fahrer) erfährt das sofortige Gefühl der hohen Beschleunigungsantwort und Leistungseffizienz des Fahrzeugs.
  • Es gibt auch eine Zunahme bei dem Motorausgabedrehmoment und der Empfindlichkeit beim Gangwechsel. Das Superkondensator-Ladesystem 100 verbessert auch die Fahrzeugzündeffizienz und verringert den Kraftstoffverbrauch (z.B. über 10%). Der in dem Superkondensator-Ladesystem 100 installierte Stabilisierungs- und Ausgleichscontroller 130 erhöht die Stromabgabe und reduziert die Motorschwingung aufgrund einer vollständigen Zündkerzenverbrennung. Das Superkondensator-Ladesystem 100 erhöht die Empfindlichkeit und Genauigkeit von Signalen der Fahrzeugstromcontrollereinheit (im Folgenden als eine „ECU“ bezeichnet), die der Fahrzeugcomputer-Hardwarecontroller ist, der innerhalb des Armaturenbretts des Fahrzeugs verborgen ist. Das Superkondensator-Ladesystem 100 erhöht die Empfindlichkeit und Genauigkeit von Sensoren und optimiert den Kraftstoffverbrauch, die Ausgangsleistung und die Fahrzeughandhabungssicherheit.
  • 9 veranschaulicht eine Tabelle, die Vorteile eines Superkondensator-Ladesystems 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung im Vergleich mit konventionellen Batterien zeigt.
  • Das Superkondensator-Ladesystem 100 besitzt Vorteile gegenüber der Blei-Säure-Batterie und der im Fahrzeug verwendeten Lithiumionenbatterie.
  • Wie in 9 gezeigt, kann das Superkondensator-Ladesystem 100 eine extreme Betriebstemperatur aushalten, z.B. –40°C bis 70°C, geeignet für ein beliebiges Fahrzeug unter einer beliebigen Wetterbedingung. Weiterhin besitzt das Superkondensator-Ladesystem 100 einen hohen Lebenszyklus von 5 bis 50 Jahren. Das Superkondensator-Ladesystem 100 besitzt eine schnelle Lade- und Entladerate, z.B. 30 Sekunden bis zu voll geladen durch das externe Ladegerät 170 des Fahrzeugs.
  • Wenngleich nicht gezeigt, ist das Superkondensator-Ladesystem 100 umweltfreundlich. Das Superkondensator-Ladesystem 100 enthält keine sauren Chemikalien, alles trockene und abgedichtete Komponenten. Außerdem ist das Superkondensator-Ladesystem 100 leicht, z.B. 3 kg. Außerdem ist das Algorithmusfirmwaremodem 151 des Energiemanagementcontrollers 150 so ausgelegt, dass es schnelle Antworten auf das kinetische Energie-Bremsrückgewinnungssystem des Fahrzeugs neben dem externen Ladegerät 170 hat.
  • Zudem kann das Superkondensator-Ladesystem 100 den Differentialspannungsgradienten zu dem Superkondensator 110 induzieren. Das Algorithmusfirmwaremodem 151 ist kundenspezifisch ausgelegt, eine Sequentiell-Mapping-Selbstladefähigkeit zu haben, die das Speichermedium 120 wiederauflädt, wenn das Spannungspotential um ein vorbestimmtes Ausmaß abfällt, z.B. 10% seiner maximalen Spannungsspeicherkapazität. Somit erzeugt das Superkondensator-Ladesystem 100 eine hocheffiziente Leistungsrückhaltung und besitzt ein Selbstdiagnosemerkmal.
  • 10 und 11 zeigen Liniendiagramme, die Drehmoment und Leistungsabgabe von dem Superkondensator-Ladesystem 100 zeigen, und ein Verfahren, im Vergleich zu einer herkömmlichen Batterie. 12 zeigt Liniendiagramme, die ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis und Leistungsabgabe von dem Superkondensator-Ladesystem 100 und -verfahren zeigen, im Vergleich zu der herkömmlichen Batterie. Die x-Achse der Liniendiagramme ist Motorumdrehungen pro Minute (im Folgenden als „min–1" bezeichnet).
  • Als ein Beispiel sind in 10 und 11 das Superkondensator-Ladesystem 100 und die konventionelle Batterie, z.B. Blei-Säure-Batterie, in jedem eines Coupé und eines SUV installiert. 10(a) und (b) zeigen ein Drehmoment auf einem Schwungrad zusammen mit der Motordrehzahl in jedem des Superkondensator-Ladesystems 100 und der Blei-Säure-Batterie. Die 10(c) und (d) zeigen die Leistungsabgabe, z.B. Pferdestärkenausgabe, zusammen mit der Motordrehzahl in jedem des Superkondensator-Ladesystems 100 und der Blei-Säure-Batterie. Außerdem zeigen 11(a) und (b) das Drehmoment auf einem Schwungrad zusammen mit der Motordrehzahl in jedem des Superkondensator-Ladesystems 100 und der Blei-Säure-Batterie. Die 11(c) und (d) zeigen die Pferdestärkenausgabe zusammen mit der Motordrehzahl in jedem des Superkondensator-Ladesystems 100 und der Blei-Säure-Batterie.
  • Als ein Beispiel sind in 12 das Superkondensator-Ladesystem 100 und die Blei-Säure-Batterie in dem Coupé installiert. Die 12(a) und (b) zeigen das Luft-Kraftstoff-Verhältnis zusammen mit der Motordrehzahl in jedem des Superkondensator-Ladesystems 100 und der Blei-Säure-Batterie. Die 12(c) und (d) zeigen die Pferdestärkenausgabe zusammen mit der Motordrehzahl in jedem des Superkondensator-Ladesystems 100 und der Blei-Säure-Batterie.
  • Gemäß den Liniendiagrammen besitzen insgesamt Fahrzeuge mit dem Superkondensator-Ladesystem 100 ein höheres Drehmoment, eine höhere Pferdestärkenausgabe und ein höheres Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Vergleich zu Fahrzeugen mit der Blei-Säure-Batterie. Die Gründe sind zumindest wie folgt:
    • • Optimierung von Spannung und Strom und ihre Lieferung gemäß Stromnachfrage innerhalb von Nanosekunden Der Energiemanagementcontroller 150 des Superkondensator-Ladesystems 100 berechnet die Fourier-Transformations-Linienintegrations-Formulierung bei einem voreingestellten Intervall, z.B. alle 11 ns, um Spannung und Strom zu optimieren.
    • • Reduziertes Rauschen Die Rauschspannung kommt von dem externen Ladegerät 170, z.B. einem Wechselstromgenerator, dem Generator, dem Magnetzünder und dem Zündsystem, des Fahrzeugs. Der Stabilisierungs- und Ausgleichscontroller 130 des Superkondensator-Ladesystems 100 dämpft die Rauschspannung.
    • • Vollständige Verbrennung Das Superkondensator-Ladesystem 100 entlädt einen hohen Strom vorübergehend im Vergleich zur herkömmlichen Batterie, z.B. Blei-Säure-Batterie. Somit gestattet das Superkondensator-Ladesystem 100 eine bessere und vollständigere Verbrennung von Kraftstoff in der Kammer.
  • Der Fachmann versteht, dass Variationen und Kombinationen von oben beschriebenen Merkmalen, die keine Alternativen oder Substitute sind, kombiniert werden können, um noch weitere Ausführungsformen auszubilden, die in den beabsichtigten Schutzbereich der Erfindung fallen.

Claims (28)

  1. Superkondensator-Ladesystem für ein Fahrzeug, umfassend: mindestens einen Superkondensator; einen Stabilisierungs- und Ausgleichscontroller, der betätigt werden kann zum Dämpfen einer Rauschspannung; einen Ladungsabgleichscontroller, der betätigt werden kann zum Unterdrücken einer Überladung des mindestens einen Superkondensators; und einen Energiemanagementcontroller, der betätigt werden kann zum Steuern des Ladens und Entladens des mindestens einen Superkondensators für eine Energieverteilung und betätigt werden kann zum Verwalten der Energieverteilung durch Koppeln mit dem Stabilisierungs- und Ausgleichscontroller und dem Ladungsabgleichscontroller, wobei der Energiemanagementcontroller betätigt werden kann zum Detektieren einer Ladungsmenge und Bestimmen, ob geladen oder das Laden gestoppt werden soll, auf der Basis der Ladungsmenge.
  2. Superkondensator-Ladesystem nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine Superkondensator mit Graphen auf einen Aktivkohlefilm diffundiert ist.
  3. Superkondensator-Ladesystem nach Anspruch 2, wobei das Diffundieren des Graphens in eine Aktivkohleanode einen Widerstandswert eines elektrischen Reihenwiderstände (ESR – Electrical Series Resistor) senken soll.
  4. Superkondensator-Ladesystem nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine Superkondensator mit dem Ladungsabgleichscontroller integriert ist.
  5. Superkondensator-Ladesystem nach Anspruch. 1, weiterhin umfassend ein Speichermedium, das betätigt werden kann zum Speichern von Pufferenergie.
  6. Superkondensator-Ladesystem nach Anspruch. 5, wobei das Speichermedium ein Lithium-Eisenphosphat-Medium enthält.
  7. Superkondensator-Ladesystem nach Anspruch 1, wobei der Stabilisierungs- und Ausgleichscontroller betätigt werden kann zum Dämpfen der Rauschspannung, die von mindestens einem der Folgenden kommt: einem Wechselstromgenerator, einem Generator, einem Magnetzünder und einem Zündsystem.
  8. Superkondensator-Ladesystem nach Anspruch 1, wobei der Stabilisierungs- und Ausgleichscontroller eine Mehrheit von Kondensatoren und einen Widerstand umfasst.
  9. Superkondensator-Ladesystem nach Anspruch 1, wobei der Ladungsabgleichscontroller in Reihe zwischen jeder Zelle eine Leuchtdiode (LED) und eine Zenerdiode umfasst.
  10. Superkondensator-Ladesystem nach Anspruch 9, wobei die LED aufleuchtet, wenn der entsprechende Superkondensator vollständig aufgeladen ist.
  11. Superkondensator-Ladesystem nach Anspruch 5, weiterhin umfassend ein KERS (Kinetic Energy Recovery System – System zur Rückgewinnung kinetischer Energie), das als ein externes Medium angeschlossen ist und betätigt werden kann zum Erfassen von kinetischer Energie beim Bremsen.
  12. Superkondensator-Ladesystem nach Anspruch 11, wobei der Energiemanagementcontroller betätigt werden kann zum Verwalten der Energieverteilung durch Koppeln mit dem KERS.
  13. Superkondensator-Ladesystem nach Anspruch 11, wobei das KERS betätigt werden kann zum Umwandeln der kinetischen Energie in eine elektrische Energie und Transferieren der umgewandelten Energie in mindestens einen des Superkondensators und des Speichermediums.
  14. Superkondensator-Ladesystem nach Anspruch 13, wobei das KERS betätigt werden kann zum Hochfahren des Superkondensator-Ladesystems, so dass das Superkondensator-Ladesystem Leistung an das Fahrzeug liefern kann.
  15. Superkondensator-Ladesystem nach Anspruch. 5, weiterhin umfassend ein externes Ladegerät, als ein externes Medium angeschlossen und mit einem Induktionsspulenmotor.
  16. Superkondensator-Ladesystem nach Anspruch 15, wobei das externe Ladegerät mindestens eines der Folgenden enthält: einen Wechselstromgenerator, einen Generator und ein Ladegerät.
  17. Superkondensator-Ladesystem nach Anspruch 16, wobei der Wechselstromgenerator betätigt werden kann zum Hochfahren des Superkondensator-Ladesystems, so dass das Superkondensator-Ladesystem Leistung an das Fahrzeug liefern kann.
  18. Superkondensator-Ladesystem nach Anspruch 5, wobei der Energiemanagementcontroller betätigt werden kann zum Steuern des Ladens und Entladens des Speichermediums für die Energieverteilung.
  19. Superkondensator-Ladesystem nach Anspruch 18, wobei der Energiemanagementcontroller betätigt werden kann zum Entladen des Speichermediums, um den mindestens einen Superkondensator zu laden.
  20. Superkondensator-Ladesystem nach Anspruch 19, wobei der Energiemanagementcontroller betätigt werden kann zum Bestimmen, einen des Superkondensators und des Speichermediums zu laden, falls die Ladungsmenge unter einer vorbestimmten Menge ist.
  21. Superkondensator-Ladesystem nach Anspruch 1, wobei der Energiemanagementcontroller betätigt werden kann, um mit dem Stabilisierungs- und Ausgleichscontroller synchronisiert zu werden.
  22. Superkondensator-Ladesystem nach Anspruch 5, wobei der Energiemanagementcontroller betätigt werden kann zum Berechnen einer Fourier-Transformations-Linienintegrations-Formulierung mit einem voreingestellten Intervall zum Optimieren des Ladens und Entladens des mindestens einen Superkondensators und des Speichermediums.
  23. Superkondensator-Ladesystem nach Anspruch 22, wobei der Energiemanagementcontroller betätigt werden kann zum Berechnen der Fourier-Transformations-Linienintegrations-Formulierung alle 11 ns.
  24. Superkondensator-Ladesystem nach Anspruch 1, wobei der Energiemanagementcontroller eine Mehrheit von Kondensatoren, eine Mehrheit von Registern, eine Diode, einen Induktor und ein Algorithmusfirmwaremodem umfasst.
  25. Superkondensator-Ladesystem nach Anspruch 24, wobei das Algorithmusfirmwaremodem ein programmierbarer Chip ist und betätigt werden kann zum Unterstützen von Elektronikkomponenten.
  26. Superkondensator-Ladesystem nach Anspruch 25, wobei das Algorithmusfirmwaremodem betätigt werden kann zum Auslösen eines unterschiedlichen Ladungs- und Entladungsabgabequantenpegels in einem realen dynamischen Modus, um die Energieverteilung zu verwalten.
  27. Superkondensator-Ladesystem nach Anspruch 16, wobei, falls das Fahrzeug ein Wagen ist, das Speichermedium eine erste Initialladung an den Superkondensator liefert und der Wechselstromgenerator Leistung an den Superkondensator liefert, um den Wagen zu betreiben.
  28. Superkondensator-Ladesystem nach Anspruch 16, wobei, falls das Fahrzeug ein Gabelstapler ist, das Ladegerät das Speichermedium lädt und das Speichermedium Leistung an den Superkondensator liefert, um den Gabelstapler zu betreiben.
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