專利名稱：改進車輛電氣系統性能的布置、方法及包括該布置的車輛的制作方法
技術領域：
本文的實施例涉及一種用于改進車輛的電氣系統(electrical system)性能的布置(arrangement,布置方式,配置)。它們尤其涉及一種用于改進具有設置有啟動/停止(start/stop，啟停)系統的內燃機的車輛的電氣系統性能的布置。本文的實施例進一步涉及一種用于改進車輛的電氣系統性能的方法。它們尤其涉及一種用于改進具有設置有啟動/停止系統的內燃機的車輛的電氣系統性能的方法。
背景技術：
在具有內燃機的車輛中使用被稱作啟動/停止系統越來越普遍。已證實此類系統能節約燃料，尤其是在城市行駛期間。這是由于當不需要驅動車輛時內燃機停止，并且當一旦需要再驅動車輛時，內燃機重新啟動。然而，與啟動/停止系統相關的問題在于傳統的鉛酸電池的電池壽命在汽車的啟動/停止中極大地縮短。此外，要極大地增加鉛酸電池的尺寸，以處理啟動/停止中增加的能量吞吐量(energy throughput),從而能實現需要的電池壽命。為了緩解該問題，一些目前已知的啟動/停止解決方案包含一個大的主電池，如傳統的鉛酸電池，以及尺寸較小的輔助電池。在此類已知布置中的該輔助電池被布置成在熱曲柄(warmcranks )期間為車輛的電氣系統供電。然而，此類已知的布置在啟動/停止情況數量增加、更高的時間要求以及各種車輛系統耗電量增加的情況下受到明顯的限制。
發明內容
本文的實施例目的在于提供一種用于改進具有設置有啟動/停止系統的內燃機的車輛的電氣系統性能的布置。該目的通過提供一種布置實現，該布置的電氣系統還包括第一電池(primarybattery,主要電池),其通過啟動器螺線管(starter solenoid)選擇性地可連接至內燃機的啟動器電機；交流發電機(alternator)和附加的車輛電氣負載，它們相互并聯布置并且通過第一開關能夠選擇性地與第一電池并聯連接，其中該電氣系統進一步包括第三電能來源(third source of electrical energy),其通過第二開關能夠選擇性地與交流發電機并聯連接。提供第三電能來源使其通過第二開關能夠選擇性地與交流發電機并聯連接，確保了當車輛的交流發電機關閉時車輛電氣系統的供電。該第三電能來源可進一步由交流發電機用減速期間回收的能量進行充電。根據第二方面，與交流發電機并聯布置的還有DC/DC變換器(converter),該DC/DC變換器被布置成用于為第三電能來源選擇性地充電。與交流發電機并聯地提供DC/DC變換器(如第二方面所述)確保了第三電能來源的充電，由此DC/DC充電功率可降低，因為循環電池的主要充電來源于交流發電機。
根據第三方面,該第三電能來源是超級電容器(super capacitor)。根據第四方面，該第三電能來源是鋰離子電池。如第三或第四方面所述的超級電容器或鋰離子電池提供了電能的可再充電來源，尤其適用于高的能量吞吐量，并且因此極大地減少了具有設置有啟動/停止系統的內燃機的車輛的第一電池(如鉛酸電池)的電能吞吐量。這也有利實現第一電池的預期壽命。根據第五方面，與交流發電機并聯布置有第二電池(secondary battery)。如第五方面所述的與交流發電機并聯布置的第二電池為車輛的電氣負載提 供冗余度，例如，包括第三電能來源的電路出現誤差時。本方法為布置的各方面提供如以上所述的相同的優點。
在下文中，將參照附圖僅通過實例對本文的實施例進行更詳細地說明，附圖中圖I是用于改進具有設置有啟動/停止系統的內燃機的車輛的電氣系統性能的布置的第一實施例的示意性電路圖。圖2是示出了用于改進具有設置有啟動/停止系統的內燃機的車輛的電氣系統性能的布置的可替換實施例的示意性電路圖。通過結合附圖考慮的以下詳細說明，本文實施例的其他目的和特征將變得顯而易見。然而應當理解，附圖僅設計為示出的目的并且不用于定義本發明的范圍，本發明的范圍應參考附屬權利要求。還應當理解，附圖無需按比例繪制并且除非另有說明，附圖僅旨在概念性地示出本文描述的結構和程序。
具體實施例方式總的來看，本文的實施例(如圖I中示意性示出)涉及一種用于改進具有設置有啟動/停止系統的內燃機的車輛的電氣系統性能的布置，該電氣系統進一步包括第一電池VI，其通過啟動器螺線管SS選擇性地可連接至啟動器電機S，交流發電機A和附加的車輛電子負載Z，它們相互并聯布置并且能夠通過第一開關SI選擇性地與第一電池Vl并聯連接。根據圖I的布置，與交流發電機A并聯布置的還有DC/DC變換器，布置該DC/DC變換器是用于為第三電能來源V3選擇性地充電，該第三電能來源V3能夠通過第二開關S2選擇性地與交流發電機A并聯連接。然而，假如第三電能來源V3使用的是帶有適當的電壓特征和低內電阻的鋰離子化學產品，可移除該DC/DC變換器(未示出)。這就意味著第三電能來源V3的充電僅由交流發電機A執行。在一個實施例中，第三電能來源V3是超級電容器。在一個替換實施例中，第三電能來源V3是鋰離子電池。超級電容器和鋰離子電池兩者均適用于高的能量吞吐量。在又一個實施例中，如圖2中示出，第二電池V2與交流發電機A并聯布置。因而，以上所述的實施例涉及極大地減少車輛的第一電池Vl (如鉛酸電池)的電能吞吐量，上述車輛具有設置有啟動/停止系統的內燃機。如上所述，這是通過使用與第一電池Vl并聯的諸如循環電池的第三電能來源V3，例如鋰離子電池或鎳氫電池所實現的。第三電能來源V3是用于當車輛的交流發電機A關閉時，為車輛的電氣負載Z供電。第三電能來源V3通過減速期間回收的能量由交流發電機A或者通過諸如DC/DC變換器的小型的充電裝置進行充電。第三電能來源V3通過第二開關S2連接至電氣系統，第二開關應為繼電器或MOSFET開關。循環電池，如鋰離子電池、鎳氫電池或其他電池，比傳統鉛酸電池具有更能處理能量吞吐量的更大容量。其目的因而在于通過使用與第一電池Vl并聯的第三電能來源V3，在當第一電池尤其是鉛酸電池時極大地減少第一電池上的能量吞吐量，第三電能來源是循環電池，其用于當交流發電機A關閉時為車輛的電氣負載Z供電。 第三電能來源V3被布置成由交流發電機A使用車輛減速期間回收的能量或者由諸如DC/DC變換器的小型充電裝置(在必要時)進行充電。第三電能來源V3將由第二開關S2，S卩，也能控制充放能量的繼電器或MOSFET開關，連接至電氣系統。 由此解決的一個問題是，在交流發電機電壓增加時的車輛遲緩期間，第三電能來源V3可由交流發電機A進行充電。通常會使用大功率充電裝置，DC/DC或相似的充電裝置，來控制第三電能來源V3的充電。根據提出的解決方案，充電DC/DC的功率可極大地降低，因為第三電能來源V3的主要充電來源于交流發電機A。如之前提到的，假如第三電能來源V3使用的是帶有適當的電壓特征和較低的內電阻的鋰離子化學產品，就可移除DC/DC變換器。因而使得第三電能來源V3的充電僅由交流發電機A完成。根據圖2的實施例，當交流發電機A在內燃機待機(standby,備用)期間(啟動/停止應用中停頓或有速狀態下的停止階段)關閉時，第三電能來源V3由第二開關S2與第二電池V2并聯連接，第二電池將充當消耗電池，并且因而將為電氣系統供電。這可通過挑選比第二電池V2具有更高的開路電壓的第三電能來源V3來實現。此外，相比于現有技術的解決方案，因為第二電池V2的尺寸可較小，所以車輛的電源重量將減輕。并且電氣系統中負載的冗余饋給將得到極大改進。該布置也將能使發動機和交流發電機A在有速行駛期間關閉。相同的布置可用于卡車和公共汽車。通過在循環電池(cycling battery)中添加單電池(cel I )，可調整該布置以處理24V、48V或其他任何更高的電壓。應當注意的是，第一開關SI和第二開關S2兩者以及與第一開關SI并聯布置的冗余二極管Dl均是象征性地示出功能。在提出的布置的執行中，提議第一開關SI和第二開關S2均使用軟件控制的MOSFET開關。本應用還提供一種方法，用于改進具有設置有啟動/停止系統的內燃機的車輛的電氣系統性能。該電氣系統進一步包括第一電池VI，其通過啟動器螺線管SS選擇性地可連接至用于內燃機的啟動器電機S。交流發電機A和附加的車輛電氣負載Z相互并聯地布置并且能夠通過第一開關SI與第一電池Vl選擇性地并聯連接。本方法包括以下步驟與交流發電機A并聯地布置DC/DC變換器；并且布置所述DC/DC變換器，以便選擇性地對第三電能來源V3進行充電，該第三電能來源V3能夠通過第二開關S2與交流發電機A選擇性地并聯連接。在本方法的一個實施例中，其包括進一步的步驟布置第三電能來源V3為超級電容器。
在本方法的替換實施例中，其包括進一步的步驟布置第三電能來源V3為鋰離子電池。在本方法的另一個實施例中，其包括進一步的步驟與交流發電機A并聯地布置第二電池V2。以下將描述一些使用情形，此類實例示出根據圖I實施例的布置的使用。在第一種使用情形中，假設車輛處于停放狀態。第一電池Vl將為車輛的電氣負載Z供電。未使用第三電能來源V3 (即，循環電池)并且第一開關SI和第二開關S2兩者是閉合的。在第二種使用情形中，假設車輛是在輔助模式(accessory mode,配套模式)下使用，其中內燃機不運轉。第一電池Vl將為車輛的電氣負載Z供電。未使用第三電能來源V3(即，循環電池)并且第一開關SI閉合而第二開關S2斷開。 在第三種使用情形中,假設車輛是在內燃機起動(cranking)期間使用。第一電池Vl將為車輛的電氣負載Z和啟動器S供電,或作為替換僅為啟動器S供電。未使用第三電能來源V3 (或循環電池)，或作為替代，用于為車輛的電氣負載Z供電。根據選定的解決方案，第一開關SI和第二開關S2分別斷開和閉合。在第四種使用情形中，假設車輛在行駛模式中使用，并且內燃機運行。“行駛模式”應理解為包括車輛以高速(at speed)行駛的模式。第一電池Vl將為車輛的電氣負載Z供電。第三電能來源V3 (或循環電池)由交流發電機A或DC/DC變換器充電，并且還用作車輛的電氣負載Z的冗余供電以及在出現高瞬態電流消耗時提供低壓保護。在車輛遲緩期間第一開關SI將會閉合并且第二開關S2將會閉合，以便在交流發電機電壓增加或在支持車輛的電氣負載Z出現瞬態時將自由能(free energy)充入第三電能來源V3。在第五種使用情形中，假設車輛在行駛模式中使用，并且內燃機在啟動/停止情況下處于待機狀態。第一電池Vl將為車輛的電氣負載Z提供冗余供電。第三電能來源V3(或循環電池)將為車輛的電氣負載Z提供主要供電，這是由于事實上其具有比第一電池更高的開路電壓，尤其是在當第一電池Vl是鉛酸電池時。第一開關SI和第二開關S2均閉合。在第六種使用情形中，假設車輛是在行駛模式中使用，并且內燃機處于在內燃機起動以熱啟動期間的待機狀態。第一電池Vl將為啟動器電機供電。第三電能來源V3 (或循環電池)將為車輛的電氣負載Z供電。第一開關SI斷開而第二開關S2閉合。下文中將描述一些使用情形，這些使用情形示出了根據圖2實施例的布置的使用。在第七種使用情形中，假設車輛被停放。未使用第一電池VI。第二電池V2將為車輛的電氣負載Z供電。未使用第三電能來源V3 (或循環電池),并且第一開關SI和第二開關S2均斷開。在第八種使用情形中，假設車輛在輔助模式中使用，其中內燃機不運轉。未使用第一電池VI。第二電池V2將為車輛的電氣負載Z供電。未使用第三電能來源V3 (或循環電池)，并且第一開關SI和第二開關S2均斷開。在第九種情形中，假設車輛在內燃機起動期間使用。第一電池Vl將為啟動器供電。第二電池V2將為車輛的電氣負載Z供電。未使用第三電能來源V3 (或循環電池),并且第一開關SI和第二開關S2均斷開。
在第十種使用情形中，假設車輛在行駛模式中使用，并且內燃機運轉。第一電池Vl將由交流發電機A充電并且為車輛的電氣負載Z提供冗余供電并且在高瞬態電流消耗時提供低電壓保護。第二電池V2將為車輛的電氣負載Z供電。第三電能來源V3(或循環電池)由交流發電機A或DC/DC變換器進行充電，并且其還用作為車輛的電氣負載Z提供冗余供電并且在高瞬態電流消耗時提供低壓保護。第一開關SI將在指定時間段內閉合以為第一電池Vl充電或在瞬態輔助負載時閉合，并且第二開關S2將在車輛遲緩期間閉合，以便在當交流發電機電壓增加或在支持車輛的電氣負載Z出現瞬態時將自由能充入第三電能來源V3。在第十一種使用情形中，假設車輛在行駛模式中使用，并且內燃機在啟動/停止情況下處于待機狀態。第一電池Vl將為車輛的電氣負載Z提供冗余供電。第二電池V2將在高瞬態電流消耗下為車輛的電氣負載Z提供冗余供電。第三電能來源V3 (或循環電池)將為車輛的電氣負載Z提供主要供電，這是由于事實上其比第一電池Vl具有更高的開路電壓，尤其是當第一電池Vl是鉛酸電池時。第一開關SI斷開并且第二開關S2閉合。
在第十二種使用情形中，假設車輛在行駛模式中使用，并且內燃機處于在內燃機起動以熱啟動期間的待機狀態。第一電池Vl將為啟動器電機S提供供電。第二電池V2將在高瞬態電流消耗下為車輛的電氣負載Z提供冗余供電。第三電能來源V3 (或循環電池)將為車輛的電氣負載Z提供主要供電，這是由于事實上其比第一電池Vl具有更高的開路電壓，尤其是在當第一電池Vl是鉛酸電池時。第一開關SI斷開而第二開關S2閉合。根據本應用還可設想一種包括如上所述的布置的車輛。以上所述的實施例可在以下權利要求范圍內有所變化。因此，雖然已示出、描述和指明了本文實施例的基本新型性特征，但應將理解的是，本領域的技術人員可對示出裝置的形式和細節以及它們的操作進行各種省略、替換和更改。例如，明顯地目的在于以大致相同的方式執行大致相似的功能的此類元件和/或方法步驟的所有的組合是等效的。此外，應當意識到，與本文中任何公開形式或實施例相關而示出和/或描述的結構和/或元件和/或方法步驟，可包含于任何作為一般設計選擇的其他公開的或描述的或建議的形式或實施例中。
權利要求
1.一種用于改進車輛的電氣系統性能的布置，所述車輛具有設置有啟動/停止系統的內燃機，所述電氣系統進一步包括第一電池(VI)，所述第一電池通過啟動器螺線管(SS)能夠選擇性地連接至用于所述內燃機的啟動器電機(S)， 交流發電機(A)和附加的車輛電氣負載(Z ),所述交流發電機和附加的車輛電氣負載相互并聯布置并且通過第一開關(SI)能夠選擇性地與所述第一電池(Vl)并聯連接，其特征在于 所述電氣系統進一步包括第三電能來源(V3)，所述第三電能來源通過第二開關(S2)能夠選擇性地與所述交流發電機(A)并聯連接。
2.根據權利要求I所述的布置，其特征在于，與所述交流發電機(A)進一步并聯布置有DC/DC變換器(DC/DC)，所述DC/DC變換器(DC/DC)被布置成用于為所述第三電能來源(V3)選擇性地充電。
3.根據權利要求I至2中任一項所述的布置，其特征在于，所述第三電能來源(V3)是超級電容器。
4.根據權利要求I至2中任一項所述的布置，其特征在于，所述第三電能來源(V3)是鋰離子電池。
5.根據權利要求I至4中任一項所述的布置，其特征在于，與所述交流發電機(A)并聯布置有第二電池(V2)。
6.一種用于改進車輛的電氣系統性能的方法，所述車輛具有設置有啟動/停止系統的內燃機，所述電氣系統進一步包括第一電池(VI)，所述第一電池通過啟動器螺線管(SS)能夠選擇性地連接至用于所述內燃機的啟動器電機(S)， 交流發電機(A)和附加的車輛電氣負載(Z ),所述交流發電機和附加的車輛電氣負載相互并聯布置并且通過第一開關(SI)能夠選擇性地與所述第一電池(Vl)并聯連接，其特征在于，所述方法包括以下步驟 布置第三電能來源(V3)，使其通過第二開關(S2)能夠選擇性地與所述交流發電機(A)并聯連接。
7.根據權利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法進一步包括以下步驟與所述交流發電機(A)并聯地布置DC/DC變換器(DC/DC)，以及 布置所述DC/DC變換器(DC/DC)，用于為所述第三電能來源(V3)選擇性地充電。
8.根據權利要求6至7中任一項所述的方法，其特征在于，所述方法進一步包括將所述第三電能來源(V3)布置為超級電容器的步驟。
9.根據權利要求6至7中任一項所述的方法，其特征在于，所述方法進一步包括將所述第三電能來源(V3)布置為鋰離子電池的步驟。
10.根據權利要求6至9中任一項所述的方法，其特征在于，所述方法進一步包括與所述交流發電機(A)并聯地布置第二電池(V2)的步驟。
11.一種車輛，其特征在于，所述車輛包括根據權利要求I至5中任一項所述的布置。
全文摘要
本發明涉及用于改進車輛電氣系統性能的布置、方法及包括該布置的車輛，該車輛具有設置有啟動/停止系統的內燃機。該電氣系統進一步包括第一電池(V1)，該第一電機能夠通過啟動器螺線管(SS)選擇性地連接至內燃機的啟動器電機(S)。交流發電機(A)和附加的車輛電氣負載(Z)相互并聯布置并且能夠通過第一開關(S1)選擇性地與第一電池(V1)并聯連接。提供第三電能來源(V3)，從而其能夠通過第二開關(S2)選擇性地與交流發電機(A)并聯連接。
文檔編號H02K11/00GK102951100SQ20121025864
公開日2013年3月6日 申請日期2012年7月24日 優先權日2011年8月25日
發明者托爾比約恩·拉松, 帕特里克·拉松, 丹尼爾·米德霍姆, 弗雷德里克·烏爾姆哈格 申請人:沃爾沃汽車公司