JP6602791B2 - エンジン始動およびバッテリ支援モジュール - Google Patents
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Description
本出願は、米国特許法第119条(e)の定めにより2014年6月20日に出願された「エンジン始動およびバッテリ支援モジュール」という名称の、米国特許出願第62/014,910号の優先権を主張する。前述の出願は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
自動車業界およびトラック運送業界のいずれにおいても、一般的慣習、法律、および容認される行動が変化したことで、停車中にエンジン停止することを余儀なくされている。自動車またはトラックのエンジンを停止することで、バッテリおよび始動モータにストレスがかかり、バッテリおよび下位系統の性能全体の低下に結びついている。例えば、極寒環境といったような過酷な条件により問題が悪化され、完全なバッテリの故障および/または始動装置の故障につながるおそれがある。
本発明の実施形態は、車両のエンジンがオフである停車中に、始動モータの回転および短期間のバッテリ負荷に対する電圧持続の両方を可能にするウルトラキャパシタ(UC)を使用して、車両の直流(DC)電圧バスにエネルギーを直接供給することを支援するように構成された、エネルギー始動およびバッテリ支援モジュールを含む。このモジュールは、必ずしも車両の配線を変更する必要がなく、また、必ずしも車両の改造または車両操作手順の変更を必要としたり、伴ったりするものではない。
当業者であれば、図面は主に例示目的であり、本明細書で説明される本発明の主題の範囲を限定するように意図されていないことが理解されよう。図面は必ずしも縮尺通りではなく、場合によっては、本明細書で開示される本発明の主題の様々な態様は、様々な特徴を理解し易くするために、図面内で誇張または拡大して示されている場合がある。図面内では、同様の参照符号は、概して同様の特徴(例えば、機能的に類似した、および/または構造的に類似した要素)を指す。
ウルトラキャパシタベースのエンジン始動システムを用いて、エンジン始動シーケンスを開始するときに、車両のバッテリシステムがエンジンを始動させるのを補助することができる。これらのシステムを用いて、既存の車両配線系統のルートを、ウルトラキャパシタから始動モータに直接接続するようにしてもよい。場合によっては、ウルトラキャパシタは、車両のバッテリと並列接続されてもよい。始動シーケンスが開始されるにつれて、ウルトラキャパシタが放電され、始動モータを回転させるエネルギーを供給する。エンジン始動後に、車両のオルタネータ/発電機を使用して、電気を生成し、したがって、ウルトラキャパシタを再充電する。このシステムはまた、並列接続されたバッテリからウルトラキャパシタを再充電するDC/DCコンバータを含んでもよい。
図1は、エンジン始動シーケンスの間に車両のバッテリシステムを補助するために使用可能な、ウルトラキャパシタ(UC)ベースのエンジン始動およびバッテリ支援モジュール(以下「モジュール」)100の一例を示す。図1に示されているモジュール100は、2線式で、任意の数のバッテリと並列の任意の標準的なDCバスに含めることができる。モジュール100を使用して、(例えば、車両始動装置101によって)始動しているか、または停車の間に大きな負荷を消費している車両にとって正常なDCバスの電圧を維持することができる。モジュール100を使用して、例えば、図1B〜図1Cに示されるような車両の既存のバッテリ102を増強してもよいし、または、旧来の鉛蓄電池の置き換えとして使用してもよい。こうしたモジュールの利点のいくつかは、安全にかつ特別な工具なしで設置可能であり、既存のインフラに対する配線の変更がほとんど、またはまったく必要ないという点である。
図2Aおよび図2Bは、正のバッテリ端子212aおよび負のバッテリ端子212bに対応する2線式のエンジン始動およびバッテリ支援モジュール100の一例の全体的なマスタアーキテクチャ200を描く回路図を示す。アーキテクチャ200により、ホテル負荷およびエンジン始動を支援する電圧レベルの独立した調節が可能になり、これにより特定の用途および/またはまさにその設置に応じてエネルギーの送達を様々に変えることが可能になる。モジュール100は、UC201とシステムバッテリ102との間のエネルギーの伝達をいずれの方向においても調節することができる。例えば、モジュール100は、エンジンを作動させずに短時間停車する間バッテリ102を帯電した状態にしておくには、いつ充電するべきであるかを認識する。用途によっては、始動に先立ってモジュール100は、電子機器類をリセットするための静止負荷もまた認識する。加えて、モジュール100は、エンジン始動の間に、UCバンク201のすべての残余エネルギーを自動的にバッテリ102に並列に直接接続することにより、バッテリが使用限度まで使用できなかったり、始動モータが故障したりするおそれがある、何らかの規定された低いレベルを上回っている状態にシステムの電圧を保つようにしてもよい。事実上、モジュール100は、車両のDCシステム全体のESRを変更する。ホテル負荷と比較して用いられるESRの量に応じて、直列および並列のセル構成の様々な組み合わせを用いることができる。
図3A〜図3Cは、モジュール100で使用し、UCのバンク301が使い果たされたときにそれらを再充電することが可能な、DCコンバータ303のいくつかの実施形態を示す。再充電は、始動サイクル間、およびエンジンが作動している間に起こる場合がある。さらに、いくつかの実施形態では、最初にモジュール100が設置されたときに、コンバータ303を使用してUCバンク301を充電して、長期間の車両のオフ状態、または初めの(1回または複数回の)試みの後に車両が始動しない場合のいずれかにより、バッテリ302およびUCのバンク301が使い尽くされたときに、UCバンク301を再充電することができる。こうした実施形態では、(例えば、DCコンバータ303がバッテリ302からエネルギーを引き出してUC301を充電するときに)DCコンバータ303は、そうしなければ使い尽くされるバッテリを駄目にしないように、入力電圧の遮断を制御すること、ほとんど空のUC301を充電できるようにするために、入力電流および出力電流の両方を制御すること、および/または、温度が変化するとともにUCのバンク301に蓄積されたエネルギーを制御するために、可変の出力電圧設定点を制御することができる。
図4は、UC401内のセル間の接続の変化を描く実施形態を示し、バック(buck)のみの充放電スキームに適応する直列接続と並列接続との間のUC401内のセル間の接続の変化が示されている。いくつかの実施形態では、UC401は、満充電された合計電圧が車両のシステムを下回っている場合、それらを同等のセルのバンク401aおよび401bに分割することにより再充電することができる。いくつかの実施形態では、いくつかのバンクにUC401を分割し、それぞれのバンクが同じ数および/または異なる数のUC401を包含することにより、UC401を充電することができる。こうした実施形態では、UC401は、限度までエネルギーがパルス化されるバックモードで再充電することができる。こうした実施形態には、よりソリッドステートなスイッチ、および追加の電流制御が必要である。充電時には、パックを直列に戻し、いつでも電力を伝達できるようにしてもよい。いくつかの実施形態では、直列/並列スイッチ402が、合計電圧が車両のシステム電圧を下回っているUC401の数が等しい2つの並列のバンク401aおよび401bに、UC401を分割するか、またはそれらを接続して、合計電圧が車両のシステム電圧を上回っているただ1つのUCバンクを形成することができる。いくつかの実施形態では、これにより、UC401を充放電するために、1つのバックコンバータだけを使用することが可能になる。
図7は、エンジン始動およびバッテリ支援モジュール100の動作プロセスの一例を図示するフロー図を示す。いくつかの実施形態では、DCコンバータは、入力電圧および電流、ならびに出力電圧および電流の両方の閾値および最大値を制御または設定できるようにしてもよい。UC701が空のときに、それらを充電することは、UC701が完全短絡のように作用して、出力電流が検知され、制御されない限り、DCコンバータが一時的に不具合になるか、衰退するか、または燃え尽きてしまう可能性がある、という問題を起こす可能性がある。出力電流限度を設定しておけば、こうした厄介な問題を回避または制限するのに役立つはずである。
以下の非限定的な実施例は、本開示の原理によるエンジン始動およびバッテリ支援モジュールの態様を強調することを意図するものである。
本明細書では、様々な本発明の実施形態について説明および図示してきたが、当業者であれば、機能を実行するため、および/または、本発明で説明された結果および/または利点のうちの1つまたは複数を取得するための、様々な他の手段および/または構造が容易に想到され、こうした変形形態および/または修正形態はそれぞれ、本明細書で説明される本発明の実施形態の範囲内にあるものと考えられる。より一般的に言えば、当業者であれば、本明細書で説明されるすべてのパラメータ、寸法、材料、および構成が例示的であるものと意図されること、ならびに、実際のパラメータ、寸法、材料、および/または構成が、本発明の教示が使用される特定の1つまたは複数の用途に依存するであろうということを、容易に理解されよう。当業者であれば、単なる通常の実験を用いて、本明細書で説明される特定の本発明の実施形態の多くの均等物を理解または把握することが可能であろう。したがって、前述の実施形態が例としてのみ提示されたものであること、および、本発明の実施形態は、添付の特許請求の範囲およびその均等物の範囲内で具体的に説明および請求された以外の物/方法で実施可能であることが理解されよう。本開示の本発明の実施形態は、本明細書で説明される各別個の特徴、システム、物品、材料、キット、および/または方法を対象とする。加えて、2つ以上のこうした特徴、システム、物品、材料、キット、および/または方法の任意の組み合わせは、こうした特徴、システム、物品、材料、キット、および/または方法が相互に矛盾しない場合、本開示の本発明の範囲内に含まれる。
Claims (20)
- 車両の中の、車両のバッテリの電圧レベルを調整するための方法であって、
前記車両のエンジンがオフである停車中に、前記電圧レベルが所定の電圧閾値未満であるかどうかを決定するステップと、
前記電圧レベルが前記所定の電圧閾値未満である場合に、前記車両のバッテリと電気的につながっている少なくとも1つのウルトラキャパシタの放電を前記停車中に開始するステップと、
前記電圧レベルを少なくとも前記所定の電圧閾値まで上げるように、前記少なくとも1つのウルトラキャパシタの前記放電を前記停車中に調節するステップと
を含む方法。 - 前記所定の電圧閾値が、車両のバッテリの製造後年数、車両の製造後年数、車両のバッテリの状態、車両のバッテリの量、車両のバッテリの型、車両の始動装置の型、始動装置の製造後年数、温度、および前記車両の運転者の経験のうちの少なくとも1つに基づいて決定される、請求項1に記載の方法。
- 前記少なくとも1つのウルトラキャパシタの前記放電を前記停車中に調整するステップが、前記少なくとも1つのウルトラキャパシタと電気的につながっている少なくとも1つのトランジスタを介して電流の流れを制御するステップを含む、請求項1に記載の方法。
- 車両のオルタネータがオフである間、前記車両のバッテリから前記少なくとも1つのウルトラキャパシタにエネルギーを伝達するステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記電圧レベルが再充電電圧閾値を超過していることを決定した後に、前記エネルギーの伝達が開始される、請求項4に記載の方法。
- 前記車両のバッテリの電圧量が前記再充電電圧閾値を超過しているときにのみ、前記エネルギーの伝達が開始される、請求項5に記載の方法。
- 前記電圧レベルが前記車両を始動させるのに必要な電圧レベル未満であるときに、前記車両のバッテリから前記少なくとも1つのウルトラキャパシタにエネルギーを伝達するステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記少なくとも1つのウルトラキャパシタが、複数のウルトラキャパシタを含み、
充電するための並列構成と、放電するための直列構成との間で前記複数のウルトラキャパシタを切り替えるステップ
をさらに含む、請求項1に記載の方法。 - 車両のバッテリの電圧レベルを調整するための装置であって、
直列に接続されて電荷を蓄積する複数のウルトラキャパシタと、
前記車両のバッテリおよび前記複数のウルトラキャパシタと電気的につながっている少なくとも1つの電圧比較器であって、前記車両のエンジンがオフである停車中に、前記電圧レベルと所定の電圧閾値との比較を行う少なくとも1つの電圧比較器と、
前記少なくとも1つの電圧比較器および前記複数のウルトラキャパシタと電気的につながっている制御ロジックであって、前記比較に基づいて前記複数のウルトラキャパシタの放電を前記停車中に調節して、少なくとも前記所定の電圧閾値まで前記電圧レベルを上げるようにする制御ロジックと
を含む装置。 - 前記制御ロジックが、前記複数のウルトラキャパシタと電気的につながっている少なくとも1つのトランジスタであって、前記複数のウルトラキャパシタへの、および/または前記複数のウルトラキャパシタからの電流の流れを制御する少なくとも1つのトランジスタを含む、請求項9に記載の装置。
- 前記少なくとも1つの比較器が、前記複数のウルトラキャパシタへの、および/または前記複数のウルトラキャパシタからの前記電流の流れを制御する前記少なくとも1つのトランジスタのゲートと電気的につながっている、請求項10に記載の装置。
- 前記複数のウルトラキャパシタおよび前記少なくとも1つの電圧比較器と電気的につながっている直流(DC)コンバータであって、前記電圧レベルと再充電電圧閾値との比較に応じて、前記複数のウルトラキャパシタを充電する直流(DC)コンバータをさらに含む、請求項9に記載の装置。
- 前記少なくとも1つの電圧比較器が、
前記DCコンバータと電気的につながっている第1の電圧比較器であって、前記電圧レベルが前記再充電電圧閾値を超過している場合に、前記DCコンバータを使用可能にする第1の電圧比較器と、
前記制御ロジックと電気的につながっている第2の電圧比較器であって、前記電圧レベルと前記所定の電圧閾値との前記比較を行う第2の電圧比較器と
を含む、請求項12に記載の装置。 - 前記DCコンバータが、電圧レベルが前記再充電電圧閾値を上回っていることを示す前記電圧比較器からの出力に応じて、前記車両のバッテリから前記複数のウルトラキャパシタに電荷を伝達するように構成されている、請求項13に記載の装置。
- 前記DCコンバータに動作可能に結合されて、前記車両のバッテリの温度を監視する温度センサをさらに含む、請求項12に記載の装置。
- 前記DCコンバータが、前記車両のバッテリの前記温度に基づいて前記所定の電圧閾値および/または前記再充電電圧閾値を変えるように構成されている、請求項15に記載の装置。
- 前記DCコンバータが、前記少なくとも1つの比較器からの出力に応じて、前記車両の車両バスにエネルギーを送達するようにさらに構成されている、請求項12に記載の装置。
- 前記複数のウルトラキャパシタと電気的につながっているスイッチであって、直列構成と並列構成との間で前記複数のウルトラキャパシタを切り替えるスイッチをさらに含む、請求項9に記載の装置。
- 前記制御ロジックに動作可能に結合された手動インタフェースであって、前記車両の運転者が前記装置を作動させることを可能にする手動インタフェースをさらに含む、請求項9に記載の装置。
- 車両のバッテリの電圧レベルを調整するための装置であって、
複数のウルトラキャパシタと、
前記車両のバッテリと電気的につながっている第1の電圧比較器であって、前記車両のエンジンがオフである停車中に、前記電圧レベルを第1の電圧閾値と比較する第1の電圧比較器と、
前記第1の電圧比較器および前記複数のウルトラキャパシタと電気的につながっている制御ロジックであって、前記電圧レベルが前記第1の電圧閾値未満である場合に、前記複数のウルトラキャパシタを前記停車中に放電する制御ロジックと、
前記車両のバッテリと電気的につながっている第2の電圧比較器であって、前記電圧レベルを、前記第1の電圧閾値より大きい第2の電圧閾値と比較する第2の電圧比較器と、
前記複数のウルトラキャパシタおよび前記第2の電圧比較器と電気的につながっている直流(DC)コンバータであって、前記電圧レベルが前記第2の電圧閾値を上回っている場合に、前記複数のウルトラキャパシタを前記停車中に充電する直流(DC)コンバータと、
前記DCコンバータに動作可能に結合されて、前記車両のバッテリの温度を監視する温度センサと
を含み、
前記DCコンバータが、前記車両のバッテリの前記温度に基づいて前記第1の電圧閾値および/または前記第2の電圧閾値を変えるように構成されている装置。
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