DE60221067T2 - Kondensatorsystem für Kraftfahrzeug - Google Patents

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Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Gebiet der Erfindung
  • Diese Erfindung betrifft ein Kondensatorsystem für ein 12V-Fahrzeug, ein 42V-Fahrzeug, ein Elektrofahrzeug oder ein Fahrzeug mit Hybridantrieb, wie es aus den Patentanmeldungen US 5788004 und EP 0403259 bekannt ist, die alle dafür ausgelegt sind, eine erheblich verbesserte Energieeffizienz zu bieten.
  • Beschreibung des Stands der Technik
  • Als herkömmliche elektrische Kondensatorvorrichtung für ein Fahrzeug verwendet das 12V-Fahrzeug eine Bleibatterie, während das Fahrzeug mit Hybridantrieb eine Nickel-Metallhydridbatterie verwendet. Das erstere mit der Bleibatterie entlädt nur bei einem Ladungszustand von rund 100%, wenn ein Motor angelassen oder mit leichter Last gestoppt wird, und das letztere mit dem Nickel-Metallhydridakku steuert bei einem Ladungszustand von 20-80 Prozent das Entladen, das Laden durch die Lichtmaschine und das Wiederaufladen.
  • Bei den herkömmlichen Kondensatorvorrichtungen erzeugt die Abnahme des Ladungszustands des Bleiakkus große Bleisulfatkristalle mit geringer Reversibilität, was zu einem Anstieg des Innenwiderstands führt. Daher ist die herkömmliche Kondensatorvorrichtung nicht für ein wiederaufladbares System geeignet oder ist durch ihre äußerst geringe Haltbarkeit gekennzeichnet, selbst wenn sie für das wiederaufladbare System verwendet werden kann.
  • Alle herkömmlichen Kondensatorvorrichtungen verwenden einen Akku der Ausführung mit wässriger Lösung, wobei bei Anstieg des Ladungszustands des Akkus auf über 50 Prozent eine Ladereaktion und wässrige Elektrolyse einer elektrodenaktiven Substanz gleichzeitig mit einer Reintegrationsreaktion gasförmigen Sauerstoffs erfolgen, der von einer positiven Elektrode erzeugt wird, was die Ladungseffizienzen senkt
  • Kurzdarlegung der Erfindung
  • Ausgestaltungen der Erfindung umfassen ein Kondensatorsystem für ein Fahrzeug mit einer Energiequelle, die sich beim Starten eines Motors entlädt, durch eine Lichtmaschine auflädt oder beim Bremsen wiederauflädt. Die Energiequelle ist eine Kondensatoreinheit mit mehreren angeschlossenen Modulen, bei der ionenleitende Materialien zwischen zwei Elektrodenstrukturen aus Materialien mit großer Oberfläche angeordnet sind und eine elektrische Doppelschicht zwischen den in der Elektrodenstruktur vorhandenen Materialien mit großer Oberfläche und einem Elektrolyten der ionenleitenden Materialien gebildet ist, wobei das Aufladen und Entladen so gesteuert werden, dass ein Ladungszustand der Kondensatoreinheit mit mehreren angeschlossenen Modulen innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt, und eine Mindestladung innerhalb des vorbestimmten Bereichs für das Starten des Motors ausreicht, während eine Maximalladung innerhalb des vorbestimmten Bereichs innerhalb der Nennspannung der Kondensatoreinheit mehr mehreren angeschlossenen Modulen liegt.
  • Weitere Ausgestaltungen umfassen ein vorstehend erwähntes Kondensatorsystem für ein Fahrzeug, wobei, wenn der Ladungszustand der Kondensatoreinheit mit mehreren angeschlossenen Modulen unter einen vorbestimmten Bereich fällt, das Entladen außer zum Starten des Motors unterbunden wird.
  • Weitere Ausgestaltungen umfassen das vorstehend erwähnte Kondensatorsystem für ein Fahrzeug, wobei, wenn ein Ladungszustand der Kondensatoreinheit mit mehreren angeschlossenen Modulen nach Durchführung eines Wiederaufladevorgangs beim Bremsen höher als ein vorbestimmter Bereich wird, jedwedes Aufladen unterbunden wird und, wenn der Ladungszustand der Kondensatoreinheit mit mehreren angeschlossenen Modulen nach einer vorbestimmten Zahl von Wiederaufladungen höher als der vorbestimmte Bereich wird, ein Aufladen durch die Lichtmaschine unterbunden wird und nur das Wiederaufladen durchgeführt wird.
  • Weitere Ausgestaltungen umfassen ein Kondensatorsystem für ein Fahrzeug mit einer Energiequelle, das sich beim Starten eines Motors entlädt, durch die Lichtmaschine auflädt oder beim Bremsen wiederauflädt. Die Energiequelle ist die Kondensatoreinheit mit mehreren angeschlossenen Modulen, bei der ionenleitende Materialien zwischen zwei Elektrodenstrukturen aus Materialien mit großer Oberfläche angeordnet sind und eine elektrische Doppelschicht zwischen den in der Elektrodenstruktur vorhandenen Materialien mit großer Oberfläche und einem Elektrolyten der ionenleitenden Materialien gebildet ist, wobei das Aufladen und Entladen so gesteuert werden, dass ein Ladungszustand der Kondensatoreinheit mit mehreren angeschlossenen Modulen bei 50-99 Prozent liegt, sofern der Ladungszustand der Kondensatoreinheit mit mehreren angeschlossenen Modulen bei Nennspannung 100 Prozent beträgt.
  • Weitere Ausgestaltungen umfassen das vorstehend erwähnte Kondensatorsystem für ein Fahrzeug, wobei, wenn ein Ladungszustand der Kondensatoreinheit mit mehreren angeschlossenen Modulen über 99 Prozent geht, jede Art von Laden unterbunden wird; und wenn der Ladezustand der Kondensatoreinheit mit mehreren angeschlossenen Modulen 90-99 Prozent beträgt, ein Laden durch die Lichtmaschine unterbunden wird und nur ein Wiederaufladen durchgeführt wird.
  • Weitere Ausgestaltungen umfassen das obige Kondensatorsystem für ein Fahrzeug, wobei das Kondensatormodul mit mehreren angeschlossenen Zellen so ausgelegt ist, dass mehrere Module von Kondensatorzellen mit elektrischer Doppelschicht in Reihe angeordnet sind. Die jeweilige Umgehungsschaltung ist zwischen den Modulen angeordnet; das Laden eines oder mehrerer stark geladener Module wird mit Hilfe der Umgehungsschaltung unterbrochen; und der Ladungszustand aller Module wird so gesteuert, dass diese ausgeglichen werden.
  • Weitere Ausgestaltungen umfassen das obige Kondensatorsystem für ein Fahrzeug, wobei ein Stromverteiler von einem Anschluss der Kondensatorzelle mit elektrischer Doppelschicht verläuft und die Energie direkt davon abgenommen wird.
  • Kurzbeschreibung der mehreren Ansichten der Zeichnung(en)
  • 1 ist ein Schaltbild eines Kondensatorsystems für ein Fahrzeug mit einer Kondensatoreinheit mit mehreren angeschlossenen Modulen;
  • 2 ist ein Flussdiagramm einer Ladungssteuerung für ein Kondensatorsystem für ein Fahrzeug;
  • 3 ist ein Schaltbild einer Kondensatoreinheit mit mehreren angeschlossenen Modulen mit Umgehungsschaltungen;
  • 4 ist ein Flussdiagramm eines Prozesses beim Mindern von Unregelmäßigkeit des Ladungszustands des Moduls;
  • 5 ist ein Schaltbild eines Kondensatormoduls mit mehreren angeschlossenen Zellen, die elektrische Anschlüsse zwischen Modulen heraus ansteuern;
  • 6 ist ein Schaltbild eines Ladesteuerungsprozesses für ein Kondensatormodul mit mehreren angeschlossenen Zellen, die elektrische Anschlüsse zwischen Modulen heraus ansteuern;
  • 7 ist eine graphische Darstellung, die ein Experiment zur Ladungswirksamkeit einer Bleibatterie, einer Ni-MH-Batterie und einer Kondensatoreinheit mit mehreren angeschlossenen Modulen zeigt;
  • 8 ist eine graphische Darstellung, die ein Experiment zur Unregelmäßigkeit des Ladungszustands einer Bleibatterie, einer Ni-MH-Batterie und einer Kondensatoreinheit mit mehreren angeschlossenen Modulen zeigt;
  • Eingehende Beschreibung der Erfindung
  • Umsetzungen sehen ein Kondensatorsystem vor, das zum Aufladen und Entladen eines Fahrzeugs, insbesondere zum Entladen aufgrund des Startens eines Motors, zum Laden durch eine Lichtmaschine und Wiederaufladen durch Bremsen geeignet ist. Die Umsetzungen sehen weiterhin ein Kondensatorsystem für ein Fahrzeug mit ausgezeichneter Haltbarkeit vor.
  • Im Einzelnen verwenden die Umsetzungen den Kondensator mit elektrischer Doppelschicht als Speichervorrichtung für ein Fahrzeug, um die oben erwähnten Probleme zu lösen. Es ist gut bekannt, dass der Kondensator mit elektrischer Doppelschicht, der eine polarisierbare Elektrode, die hauptsächlich aus Aktivkohle besteht, nutzt, und ein organischer Elektrolyt so ausgelegt sind, dass die theoretische Zersetzungsspannung des Elektrolyten 3V oder mehr beträgt und dass er aufgrund des durch Absorption/Desorption von Ionen durchgeführten Ladens und Entladens im Gegensatz zu einer Vorrichtung, die chemische Reaktion nutzt, wie eine sekundäre Zelle, ausgezeichnete Reversibilität bietet. Eine Reaktionsgeschwindigkeit ist im Verhältnis zu einem Entladungsmechanismus mittels Ionen-Desorption viel schneller als andere Arten von chemischen Reaktionen und zeigt im Verhältnis zu der großen Stromentladung aufgrund des Reaktionswiderstands einen ausgezeichneten Spannungsabfall, wodurch sie sich für das Motorstarten eignet. Ferner kann eine Elektrode, die hauptsächlich Aktivkohle mit einer spezifischen Oberfläche von 1.000 m2/g oder mehr enthält, eingesetzt werden, was mehr als genügend Aufladen elektrischer Leistung für das Fahrzeug ergibt.
  • Die Kondensatorzelle mit elektrischer Doppelschicht, die ionenleitende Materialien verwendet, beispielsweise einen organischen Elektrolyten, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz zwischen der Spannung gemäß der Ionenabsorption und der durch den Elektrolyten der Nebenreaktion zersetzten Spannung verglichen mit einer Batterie der Art mit wässriger Lösung verhältnismäßig größer ist Daher kann durch Nutzen der Tatsache, dass unter dem Ladungszustand bei der Nennspannung (100% Ladungszustand) ein hoch wirksames Aufladen und Entladen (großer Betrag an Aufladen und Entladen) erhalten werden kann, die Kondensatorzelle mit elektrischer Doppelschicht bei einem Ladungszustand innerhalb eines vorbestimmten Bereich, d.h. im Ladungszustand bei der Nennspannung (zum Beispiel 99 Prozent Aufladung, ein Zustand mit aus Sicherheitsgründen geringfügig niedrigerem Prozentsatz), bis hin zu dem zum Starten des Motors erforderlichen Ladungszustand (zum Beispiel 50 Prozent Ladungszustand) verwendet werden (da die Spannung der Kondensatorzelle mit elektrischer Doppelschicht sich mit Ladungszustand geradlinig ändert).
  • Durch Nutzen der Kondensatorzelle mit elektrischer Doppelschicht mit diesen Eigenschaften werden die Doppelschicht-Kondensatorzellen für den zum Starten des Motors erforderlichen Elektrizitätsbetrag (der zum Starten des Motors verbrauchte Elektrizitätsbetrag) parallel verbunden; und die parallel verbundenen Zellen können für den zum Starten des Motors erforderlichen Betrag in Reihe verbunden werden, ohne dass sie voll geladen sind (zum Beispiel 50 Prozent Ladungszustand), um die Batterie zu bilden.
  • Wenn bezüglich der Batterie nach Detektieren der Anschlussspannung der gesamten Batterie oder einer einzelnen Spannung einer Kondensatorzelle mit elektrischer Doppelschicht der Ladungszustand zum Beispiel 90 Prozent oder mehr erreicht, werden Signale, die das Laden von der Lichtmaschine unterbinden, gesendet; das Laden wird abgeschaltet; und wenn der Ladungszustand nach einer bestimmten mehrfachen Zahl an Wiederaufladungen von 90 Prozent zum Beispiel 99 Prozent oder mehr erreicht (d.h. den Ladungszustand unter Berücksichtigung der Sicherheit ohne Überschreiten der Ladung von 100%), werden Signale, die das Wiederaufladen durch Bremsen unterbinden, gesendet, um das Laden abzuschalten. Wenn der Ladungszustand einen Prozentsatz erreicht, der niedriger als der Bereich von 50-90 Prozent ist, wird das Entladen außer zum Starten des Motors bei Senden der Signale für eine solche Unterbindung unterbunden. Das Lade-/Entladesystem ist dementsprechend so aufgebaut.
  • Ein Schalter, der die Kondensatormodule umgeht, ist zwischen den wie vorstehend in Reihe angeordneten Kondensatormodulen positioniert, der die Module umgehende Schalter wird so gesteuert, dass er zum Unterbinden des Ladens des Moduls geschaltet wird, wenn der Ladungszustand eines Moduls während des Aufladens durch die Lichtmaschine 90 Prozent erreicht und während des Wiederaufladens bei (durch) Bremsen 99 Prozent erreicht.
  • Ein Schalter, der die Kondensatormodule umgeht, ist zwischen den wie vorstehend in Reihe angeordneten Kondensatormodulen positioniert, der die Module umgehende Schalter wird so gesteuert, dass er zum Unterbinden des Ladens der Module geschaltet wird, wenn der Ladungszustand mehrerer Module während des Aufladens durch die Lichtmaschine 90 Prozent erreicht und während des Wiederaufladens bei (durch) Bremsen 99 Prozent erreicht.
  • Durch Vorsehen einer Schaltung, die die Spannung auf die zum Entladen außer für einen Motoranlasser erforderlichen Spannung anpasst, wird eine solche elektrische Energie von der Schaltung gesteuert, wodurch das Lade-Entlade-System erzeugt wird, das die Unregelmäßigkeit unter den Modulen anpasst und die Gleichmäßigkeit aufrechterhält, während es das vorstehende Laden durchführt.
  • Die Ausführungen der Erfindung werden als Nächstes unter Bezug auf die Begleitzeichnungen beschrieben.
  • <A> Fahrzeugkondensatorsystem
  • Ein Kondensatorsystem für ein Fahrzeug dient für ein 12V-Fahrzeug, ein 42V-Fahrzeug, ein Elektrofahrzeug oder ein Fahrzeug mit Hybridantrieb, welches ein Steuergerät 2 und eine Kondensatoreinheit mit mehreren in Reihe und/oder parallel angeschlossenen Modulen 1 umfasst, die kombiniert mit Kondensatorzellen mit elektrischer Doppelschicht (nachstehend Zellen) hergestellt sind, wobei sie zumindest durch die Lichtmaschine geladen, bei Bremen wiederaufgeladen, durch Starten des Motors entladen oder auf andere Art und Weise geladen und entladen werden kann. D.h. die Kondensatoreinheit mit mehreren angeschlossenen Modulen 1 kann eine Art von Lade- und Entlademittel oder mehrere Arten von Lade- und Entlademitteln einsetzen.
  • <B> Kondensatoreinheit mit mehreren angeschlossenen Modulen
  • Das Kondensatormodul mit mehreren angeschlossenen Zellen 1 wird kombiniert mit Zellen, die parallel und in Reihe angeordnet und verbunden sind, hergestellt. Wie zum Beispiel in 1 gezeigt wird, werden mehrere Zellen 11 in Reihe angeordnet und verbunden, um ein Modul 12 zu bilden; und mehrere Module 12 (C1-C17) werden in Reihe angeordnet und verbunden.
  • Diese Konstruktion erfüllt notwendige Bedingungen für eine Energieversorgung eines Fahrzeugs, zum Beispiel die Bedingungen von Spannung und elektrischem Strom bezüglich des Motorstartens und anderer elektrischer Vorrichtungen sowie eine Bedingung des Ladens durch die Lichtmasche und des Wiederaufladens bei Bremsen.
  • <C> Kondensator mit elektrischer Doppelschicht
  • Bei einer Kondensatorzelle 11 mit elektrischer Doppelschicht sind ionenleitende Materialien zwischen zwei Elektrodenstrukturen angeordnet, und eine elektrische Doppelschicht ist zwischen Materialien mit großer Oberfläche in der Elektrodenstruktur und dem Elektrolyten der ionenleitenden Materialien ausgebildet. Materialien mit großer Oberfläche sind pulvrige Materialien mit großer Oberfläche, die viele Ionen daran anziehen, und bevorzugt wird die Verwendung von Aktivkohle, die aus Kohlenstoffmaterialien durch ein Dampfaktivierungsverfahren oder durch einen Prozess der Aktivierung von geschmolzenem KOH erhalten werden kann. Zum Beispiel können kokosnussschalenartige Aktivkohlenstoffe, phenolartige Aktivkohle, erdölkoksartige Aktivkohle und Polyazen als Aktivkohle verwendet werden. Diese Materialien können allein oder in Kombination von zwei oder mehr Arten eingesetzt werden. Aufgrund einer großen elektrostatischen Kapazität sind von diesen phenolartige Aktivkohle, erdölkoksartige Aktivkohle und Polyazen bevorzugt.
  • <D> Aufbau der Kondensatoreinheit mit mehreren angeschlossenen Modulen bei einem 42V-Fahrzeug
  • Wenn zum Beispiel die Kondensatoreinheit mit mehreren angeschlossenen Modulen für ein 42V-Fahrzeug durch eine Zelle unter der Nennspannung von 2,5V, einem unter der Nennspannung speicherbaren Betrag an Elektrizität von 2.000 mAh (elektrostatische Kapazität von 2880F) und einem Innenwiderstand von 1,0 mΩ ausgelegt wird, muss die zum Starten eines Motors erforderliche Elektrizitätsmenge 70 mAh betragen (unter der Annahme, dass es bei einem Einschaltstrom von 500A 1,0 Sekunden dauert, den Motor zu starten) und 2 Zellen sind parallel verbunden, um 4.000 mAh zu ergeben, d.h. etwa das 60fache des zum Starten eines Motors erforderlichen Betrags. Weiterhin sind 17 oder 18 derselben in Reihe verbunden, um die Kondensatoreinheit mit mehreren angeschlossenen Modulen für ein 42V-Fahrzeug zu konstruieren. Zu diesem Zeitpunkt muss die Zahl an in Reihe verbundenen Zellen „n" betragen und der Elektrizitätsbetrag unter einem Ladungszustand von 100 Prozent muss 2.880 × 42,0/n (mAh) betragen.
  • Formel 1 drückt den Ladungszustand SOCi,t (t: bestimmte Zeit) (Prozent) aus, wenn der Stromwert während des Ladens und Entladens l(A) beträgt (Laden l > 0, Entladen l < 0), unter der Annahme, dass der Ladungszustand des einzelnen Moduls (Ci) und die Spannung Vl (V) des Moduls geradlinig verändert werden.
  • Formel 1
    • SCOi,t = (Vl – 1,0 × I/1000)/(42,0/n) × 100
      SOCi,t:
      Ladungszustand (Prozent) bei bestimmtem Zeitpunkt t des Moduls Ci
      Vl:
      Ladungswert (V) des Moduls Ci
      I:
      Stromwert der Kondensatoreinheit mit mehreren angeschlossenen Modulen bei Laden und Entladen
      n:
      Anzahl an Zellen der Kondensatoreinheit mit mehreren angeschlossenen Modulen, die in Reihe verbunden sind
  • Analog drückt 2 den Ladungszustand Qt der gesamten Kondensatoreinheit mit mehreren angeschlossenen Modulen aus.
  • Formel 2
    • SCOi = (ΣVl – 1,0 × n × I/1000)/42,0 × 100
      SCOi:
      Ladungszustand (Prozent) der Kondensatoreinheit mit mehreren angeschlossenen Modulen bei bestimmtem Zeitpunkt t
  • Das in 1 gezeigte Kondensatorsystem für ein Fahrzeug umfasst eine Kondensatoreinheit mit mehreren angeschlossenen Modulen 1, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Kondensatormodule 12 (C1-C17) mit 2 parallel verbundenen Zellen 11 in Reihe verbunden sind, die Lichtmaschine A, das Ladegerät B, den Motoranlasser D, abgesehen vom Motoranlasser D die Last E, die Schalter SA und SB, den A-Kontaktschalter SD und den Schalter SB.
  • <E> Lade-Entlade-Steuerung der Kondensatoreinheit mit mehreren angeschlossenen Modulen
  • Die Lade-Entlade-Steuerung wird als Nächstes unter Bezug auf 2 erläutert. Ein Steuergerät 2 ermittelt und berechnet die Spannung/den Strom und steuert mit Hilfe von Schaltern das Laden und Entladen. Wenn ein Fahrzeug gestoppt wird, werden alle Schalter SA-SD ausgeschaltet (T1). Vor dem Motorstarten wird der Schalter SE eingeschaltet, während die Schalter SA, SB zu diesem Zeitpunkt ausgeschaltet werden und die Last mit Ausnahme des Motoranlassers (z.B. Zündung) eingeschaltet wird (T12). Hier wird der Ladungszustand SOCt der Kondensatoreinheit mit mehreren angeschlossenen Modulen 1 zu dem bestimmten Zeitpunkt t durch Messen der Spannung Vl (V) des einzelnen Moduls (Ci) (wobei der mit den beiden Enden des jeweiligen Moduls verbundene jeweilige Spannungsmesser 21 mit dem Steuergerät 2 elektrisch verbunden ist und die Spannung Vl in dem Steuergerät 2 eingegeben wird), der Anschlussspannung ΣVi (V) der Kondensatoreinheit mit mehreren angeschlossenen Modulen 1 und des Stromswerts l(A) zu diesem Zeitpunkt (Laden l > 0, Entladen l < 0) ermittelt (wobei ein zwischen der Kondensatoreinheit mit mehreren angeschlossenen Modulen 1 und Erde angeschlossener Strommesser 22 mit dem Steuergerät 2 elektrisch verbunden ist und der Strom I in das Steuergerät 2 eingegeben wird). Wenn SOCt 50 Prozent oder weniger beträgt, wird der Schalter SE ausgeschaltet (T4); wenn SOCt größer als 50 Prozent (T3) ist, wird der Schalter SE eingeschaltet. Selbst wenn zu diesem Zeitpunkt der Motoranlasser nicht betätigt wird, wenn SOCt 50 Prozent oder weniger beträgt, wird der Schalter SE ausgeschaltet (T4); wenn SOCt 50 Prozent oder mehr beträgt, wird der Schalter SE eingeschaltet.
  • Der Motoranlasser wird betätigt (T5) und dann werden der A-Kontaktschalter SD und der Schalter SE ausgeschaltet (nach dem Starten des Motors wird von der Lichtmaschine SA Elektrizität zugeführt); und der Schalter SA wird eingeschaltet, um in den Ladezustand zu schalten (T6).
  • Wird kein Bremsen ausgeführt und der Ladezustand beträgt über 90 Prozent, wird der Schalter SA ausgeschaltet, wodurch das Laden durch die Lichtmaschine unterbunden wird. Wenn der Ladezustand nicht 90 Prozent oder mehr beträgt, wird der Schalter SA eingeschaltet, um durch die Lichtmaschine zu laden, und der Schalter SB wird ausgeschaltet, um das Wiederaufladen zum Kondensator zu unterbrechen. Wenn Bremsen ausgeführt wird (T8) und der Ladezustand nicht 99 Prozent oder mehr beträgt, wird der Schalter SA ausgeschaltet, während der Schalter SB eingeschaltet wird, um das Wiederaufladen der Kondensatoreinheit mit mehreren angeschlossenen Modulen 1 (T12) durchzuführen. Wenn der Ladezustand 99 Prozent beträgt, wird der Schalter SB ausgeschaltet, um das Wiederaufladen zum Kondensator zu unterbrechen (T13). Wenn der Motor gestoppt wird, geht das System zu Schritt T1, und wenn der Motor nicht gestoppt wird, dann geht das System zu Schritt T7, um zu ermitteln, ob das Bremsen durchgeführt wird. Unter Verwenden des obigen Steuersystems wird die Kondensatoreinheit mit mehreren angeschlossenen Modulen 1 bei einem 42V-Fahrzeug eingesetzt. Das Nutzen der obigen Struktur und das Anwenden der obigen Steuerung verhindern ein Überladen der Kondensatoreinheit mit mehreren angeschlossenen Modulen 1, um die Haltbarkeit des Kondensatormoduls mit mehreren angeschlossenen Zellen 1 zu verbessern.
  • <F> Mitteln des Ladezustands jedes Moduls
  • Die Kondensatoreinheit mit mehreren angeschlossenen Modulen 1 umfasst die Schalter S1-S17 und Umgehungsschaltungen 13, die jeweils zwischen den Kondensatormodulen 12 verlaufen, wobei die in 3 gezeigten Schalter S1-S17 genutzt werden. Die Lade-Entlade-Steuerung der Kondensatoreinheit mit mehreren angeschlossenen Modulen 1 wird unter Bezug auf 4 erläutert. Hier wird auf eine Erläuterung von Schritten verzichtet, die den Schritten von 2 entsprechen, und zusätzliche Schritte (I) in einem Strichlinienrechteck werden als Nächstes erläutert.
  • In der Schaltungsauslegung von 3 werden bei Laden nach Starten des Motors jede Modulspannung Vl (V), die bei Entladen gemessen wurde (wobei der an beiden Enden des jeweiligen Moduls verbundene jeweilige Spannungsmesser 21 mit dem Steuergerät 2 elektrisch verbunden ist und die Spannung Vl in dem Steuergerät 2 eingegeben wird) und das gerade umgangene Modul Cj erkannt; und der in dem jeweiligen Modul fließende elektrische Strom Il (A) (wobei ein zwischen der Kondensatoreinheit mit mehreren angeschlossenen Modulen 1 und Erde angeschlossener Strommesser 22 mit dem Steuergerät 2 elektrisch verbunden ist und der Strom I in das Steuergerät 2 eingegeben wird) Ij = 0(A) zu betragen hat, und der elektrische Strom Ci = l(A), der in dem Modul neben Cj fließt, wird ermittelt. Der Ladezustand SOCi,t (Prozent) zu dem bestimmten Zeitpunkt t wird in Formel 3 berechnet.
  • Formel 3
    • SCOi,t = (Vl – 1,0 × Ij/1000)/(42,0/n) × 100
      SOCi,t:
      Ladungszustand (Prozent) des Moduls Ci bei bestimmtem Zeitpunkt t
  • Wenn das Modul Ck maximal ist, drückt Formel 4 SOCk,t aus, wobei der Ladezustand SOCk,t des Moduls Ck, der mittlere Wert AM des Ladezustands des Moduls außer Ck, die Differenz ΔSOCk,t zwischen dem Ladezustand SOCk,t und dem mittleren Wert AM berücksichtigt werden. Formel 5 drückt den mittleren Wert AM des Ladezustands des Moduls außer Ck aus. Formel 6 drückt die Differenz ΔSOCk,t zwischen dem Ladezustand SOCk,t und dem mittleren Wert AM aus. (Hier stellt „n" die Zahl der Module dar, d.h. 17.)
  • Formel 4
    • SCOk,t = (Vk – 1,0 × Ik/1000)/(42,0/n) × 100
      SOCk,t:
      Ladungszustand (Prozent) des Moduls Ck bei bestimmtem Zeitpunkt t
  • Formel 5
    • AM = SCOk,t = – ΣSOCi,t/(n – 1)
  • Hier erhält Σ die Summe jedes Suffixes mit Ausnahme von k.
    • AM:
    mittlerer Wert des Ladezustands des Moduls mit Ausnahme von Ck1
  • Formel 6
    • ΔSCOk,t = SOCk,t – (ΣSOCi,t – SOCk,t)/(n – 1)
      ΔSOCk,t:
      Differenz zwischen SOCk,t und AM
  • Nach dem Schalten des Ladezustands bei den Schritten T1-T6 wird, wenn die Differenz ΔSOCk,t zwischen dem maximalen Wert des Ladezustands des jeweiligen Moduls 12 und dem mittleren Wert des Ladezustands des Moduls 12 mit Ausnahme des maximalen Werts über 10 Prozent wird, der das Modul 12 umgehende Schalter Sk ausgeschaltet, während der Rest der Schalter Sl eingeschaltet werden (T22) und die Module außer dem Modul Ck ladbar sind. Wenn die Differenz ΔSOCk,t nicht 10 Prozent oder mehr erreicht, werden alle das Modul umgehende Schalter Si eingeschaltet (T23) und alle Module Cli sind ladbar. Bei Laden nach Starten des Motors wird dann das Laden bei den Schritten T7-T14 durchgeführt. Wenn der Motor nicht gestoppt wird, geht das System zu Schritt T21 und die Ladesteuerung wird wiederholt.
  • Bei Schritt T21 kann statt des Ermittelns der Differenz ΔSOCk,t zwischen dem maximalen Modul SOCk,t und AM die Differenz ΔSOCi,t zwischen dem jeweiligen Modul SOCi,t und dem mittleren Wert Σ(SOCl,t)/n aller Module ermittelt und mit 10% verglichen werden, um zu den Schritten T22 und T23 zu gehen. Bei Schritt T21 kann an Stelle des Ermittelns der Differenz SOCk,t zwischen dem maximalen Modul SOCk,t und AM ein einfacher Prozess zum Ermitteln des Moduls des maximalen SOCk,t, des Ausschaltens des Schalters Sk des maximalen Moduls Ck und des Einschaltens der Schalter des Rests der Module (T22) zum Gehen zu Schritt T7 verwendet werden.
  • Mit Hilfe der obigen Konstruktion und Steuerung ist eine gleichmäßige Ladung am jeweiligen Modul durchzuführen, und das Laden und Entladen werden präzis gesteuert, wodurch die Haltbarkeit des Kondensatormoduls mit mehreren angeschlossenen Zellen 1 verbessert wird. Auch wenn die Differenz SOCk,t (vorgegebene Differenz) in der obigen Erläuterung 10 Prozent beträgt, kann sie nach Bedarf unter Berücksichtigung von Fahrzeugtypen, Arten von Kondensatorbatterien (Kombination) und Batteriekonstruktion gewählt werden, da der wechselseitige Ladezustand des Moduls nur gleich gehalten werden muss.
  • <G> Ansteuern eines Stromverteilers zwischen den Modulen heraus
  • Wie in 5 gezeigt wird, bilden die Last EV1, die von der Spannung V1 mit dem Schalter ST1 angesteuert wird, und die Last Evm, die von der Spannung Vm (V) mit dem Schalter STm angesteuert wird, einen Kondensator und eine Schaltung. Hier ist eine Kondensatorseite des Schalters ST1 mit S3 verbunden, so dass V1 5(V) wird; und eine Kondensatorseite des Schalters STm ist mit S6 verbunden, so dass Vm 12,5V(V) wird, wodurch die Kondensatoreinheit mit mehreren angeschlossenen Modulen 1 gebildet wird. Somit liefert das Ansteuern des Stromverteilers (Leitungsdraht) zwischen den Modulen heraus ohne Verwenden eines Gleichspannungswandlers die erforderliche Spannung.
  • Die Lade-Entlade-Steuerung der Kondensatoreinheit mit mehreren angeschlossenen Modulen in 5 (wobei die Spannungs-/Strommessung dem in 3 Erläuterten ähnelt) wird als Nächstes unter Bezug auf 6 erläutert. Die Erläuterung bezüglich bereits in 2 und 4 beschriebener gemeinsamer Schritte unterbleibt, und die Schritte in einer gestrichelten Rechtecklinie (II) in 6 werden erläutert. Wenn bei Schritt T31 die Last mit Ausnahme des Motoranlassers (d.h. Zündung) eingeschaltet ist, werden die Schalter SE, ST1 und STm eingeschaltet. Wenn als Nächstes die Zündung vor dem Motorstarten eingeschaltet wird und wenn der Ladezustand SOCi,t eines Kondensatormoduls Ci während des Entladens, beispielsweise des Motorstopps, 50 Prozent beträgt (T34), werden der Schalter SE, ST1 und STm ausgeschaltet (T33), während, wenn der Ladezustand SOCl,t 50 Prozent oder weniger beträgt, der Schalter SE, ST1 und STm ausgeschaltet werden (T34), und dann geht das System zu Schritt T6.
  • <H> Experiment zum Ladewirkungsgrad
  • Um einen Wirkungsgrad einer herkömmlichen Bleibatterie, NI-MH-Batterie und der Kondensatoreinheit mit mehreren angeschlossenen Modulen der vorliegenden Erfindung zu testen, wurden sie unter dem Ladezustand (SOC) von 0 Prozent bei elektrischen Strom von in etwa 1 Stundenrate bei 50 Prozent, 60 Prozent, 70 Prozent, 80 Prozent, 90 Prozent, 100 Prozent, 110 Prozent und 120 Prozent geladen und wurden bei elektrischem Strom von in etwa 1 Stundenrate entladen.
  • Das Ergebnis wird in Tabelle 7 gezeigt. Eine Abszisse in 7 zeigt den Ladezustand, der bei 20-25 Grad (Celsius) bei einer Rate von 100 Minuten im Verhältnis zum Entladebetrag jeder Batterie geladen wurde, während eine Ordinate den Ladezustand zeigt, der bei einer Rate von 100 Minuten im Verhältnis zum Entladebetrag geladen wurde. Wie aus 7 hervorgeht, zeigt die Kondensatoreinheit mit mehreren angeschlossenen Modulen einen ausgezeichneten Ladezustand verglichen mit der Bleibatterie und der Ni-MH-Batterie, was sehr effektiv ist. Insbesondere wenn der Ladezustand zunimmt, verbessert sich die Ladeleistung der Kondensatoreinheit mit mehreren angeschlossenen Modulen verglichen mit anderen Arten von Batterien.
  • <I> Testen der Unregelmäßigkeit jeder Zelle der Kondensatoreinheit mit mehreren angeschlossenen Modulen
  • Der Lade-Entlade-Zyklustest wird bezüglich der Bleibatterie, der NI-MH-Batterie, der Kondensatoreinheit mit mehreren angeschlossenen Modulen ohne Umgehungsschaltung und einer Kondensatoreinheit mit mehreren angeschlossenen Modulen mit der Umgehungsschaltung für ein 42V-Fahrzeug durchgeführt. Wenn 1 Zyklus das Entladen über 1,0 Sekunden bei 1/100 Zeitverhältnis, das Entladen über 60,0 Sekunden bei 1-Stunden-Verhältnis und das Laden über 160,0 Sekunden bei 1-Stunde-Verhältnis umfasst, wird die Unregelmäßigkeit ΔSOC des Ladezustands aus der Differenz zwischen dem maximalen Wert aus dem Ladezustand jeder Zelle und dem mittleren Wert des Ladezustands der Zellen mit Ausnahme der Zelle mit dem maximalen Ladewert durch Entladen jeder Zelle bei jedem 1.000 Zyklus ermittelt. Dann wird jede Zelle mit dem gleichen elektrischen Betrag wie dem Entladebetrag geladen, und der Lade-Entlade-Zyklus wird wiederholt.
  • Das Ergebnis wird in Tabelle 8 gezeigt. Die Unregelmäßigkeit des Ladezustands ΔSOC im Verhältnis zu den Zyklen wird in 8 gezeigt. 8 zeigt weniger Unregelmäßigkeit im Ladezustand des Kondensators ohne Umgehungsschaltung als die Bleibatterie und die Ni-MH-Batterie. Wie weiterhin in 8 ersichtlich ist, zeigt die Kondensatoreinheit mit mehreren angeschlossenen Modulen mit Umgehungsschaltung weniger Unregelmäßigkeit als die Kondensatoreinheit mit mehreren angeschlossenen Modulen ohne Umgehungsschaltung, was ein durch die Umgehungsschaltung erhaltenes effektiveres Ergebnis zeigt.
  • Die vorstehend beschriebenen Umsetzungen ergeben die folgenden Vorteile:
    Die Umsetzungen geben ein Kondensatorsystem an die Hand, das sich zum Laden und Entladen eines Fahrzeugs, beispielsweise zum Entladen aufgrund von Starten eines Motors, Laden durch die Lichtmaschine und Wiederaufladen bei Bremsen, eignet.
  • Weiterhin geben die Umsetzungen ein Kondensatorsystem für ein Fahrzeug mit ausgezeichneter Haltbarkeit an die Hand.
  • Des Weiteren geben die Umsetzungen ein Kondensatorsystem für ein Fahrzeug mit weniger Unregelmäßigkeit im Ladezustand des Moduls der Kondensatoreinheit mit mehreren angeschlossenen Modulen an die Hand.
  • All die obigen U.S.-Patente, U.S.-Patenanmeldungsveröffentlichungen, U.S.-Patentanmeldungen, ausländischen Patente, ausländischen Patentanmeldungen und Nichtpatente.
  • Aus dem Vorstehenden versteht sich, dass zwar spezifische Ausführungen der Erfindung hierin zum Zwecke der Veranschaulichung beschrieben wurden, aber verschiedene Abwandlungen vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Dementsprechend ist die Erfindung lediglich durch die beigefügten Ansprüche beschränkt.

Claims (5)

  1. Kondensatorsystem für ein Fahrzeug mit einer Energiequelle, die sich beim Starten eines Motors entlädt, durch eine Lichtmaschine auflädt oder durch Rückgewinnung von Bremsenergie beim Bremsen wiederauflädt, wobei die Energiequelle eine Kondensatoreinheit mit mehreren angeschlossenen Modulen ist, bei der ionenleitende Materialien zwischen zwei Elektrodenstrukturen aus Materialien mit großer Oberfläche angeordnet sind, wobei eine elektrische Doppelschicht zwischen den in der Elektrodenstruktur vorhandenen Materialien mit großer Oberfläche und einem Elektrolyten der ionenleitenden Materialien gebildet ist, wobei dieses System eine Steuereinheit umfasst, die das Aufladen und Entladen der Kondensatoreinheit mit mehreren angeschlossenen Modulen dahingehend steuert, dass es in einem Ladungszustand zwischen einer zum Starten des Motors ausreichenden Mindestladung und einer Maximalladung erfolgt, die unter der Nennspannung der Kondensatoreinheit mit mehreren angeschlossenen Modulen liegt, und wobei die Steuereinheit andere Entladungen als zum Starten des Motors unterbindet, wenn der Ladungszustand der Kondensatoreinheit mit mehreren angeschlossenen Modulen niedriger wird als die zum Starten des Motors ausreichende Mindestladung.
  2. Kondensatorsystem für ein Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenn der Ladungszustand der Kondensatoreinheit mit mehreren angeschlossenen Modulen nach einer vorbestimmten Zahl von Wiederaufladungen höher wird als die Nennspannung der Kondensatoreinheit mit mehreren angeschlossenen Modulen, das Aufladen durch die Lichtmaschine unterbunden wird und nur das Wiederaufladen durchgeführt wird.
  3. Kondensatorsystem für ein Fahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenn ein Ladungszustand der Kondensatoreinheit mit mehreren angeschlossenen Modulen nach Durchführung eines Wiederaufladevorgangs beim Bremsen höher wird als die Nennspannung der Kondensatoreinheit mit mehreren angeschlossenen Modulen, jede Art der Aufladung unterbunden wird.
  4. Kondensatorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufladen und Entladen so gesteuert werden, dass ein Ladungszustand der Kondensatoreinheit mit mehreren angeschlossenen Modulen 50-99 Prozent beträgt, vorausgesetzt, der Ladungszustand der Kondensatoreinheit mit mehreren angeschlossenen Modulen bei der Nennspannung beträgt 100 Prozent.
  5. Kondensatorsystem für ein Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenn ein Ladungszustand der Kondensatoreinheit mit mehreren angeschlossenen Modulen höher wird als 99 Prozent, jede Art der Aufladung unterbunden wird, und wenn der Ladungszustand der Kondensatoreinheit mit mehreren angeschlossenen Modulen 90-99 Prozent beträgt, das Aufladen durch die Lichtmaschine unterbunden wird und nur das Wiederaufladen durchgeführt wird.
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