专利名称：改进车辆电气系统性能的布置、方法及包括该布置的车辆的制作方法
技术领域：
本文的实施例涉及一种用于改进车辆的电气系统(electrical system)性能的布置(arrangement,布置方式,配置)。它们尤其涉及一种用于改进具有设置有启动/停止(start/stop，启停)系统的内燃机的车辆的电气系统性能的布置。本文的实施例进一步涉及一种用于改进车辆的电气系统性能的方法。它们尤其涉及一种用于改进具有设置有启动/停止系统的内燃机的车辆的电气系统性能的方法。
背景技术：
在具有内燃机的车辆中使用被称作启动/停止系统越来越普遍。已证实此类系统能节约燃料，尤其是在城市行驶期间。这是由于当不需要驱动车辆时内燃机停止，并且当一旦需要再驱动车辆时，内燃机重新启动。然而，与启动/停止系统相关的问题在于传统的铅酸电池的电池寿命在汽车的启动/停止中极大地缩短。此外，要极大地增加铅酸电池的尺寸，以处理启动/停止中增加的能量吞吐量(energy throughput),从而能实现需要的电池寿命。为了缓解该问题，一些目前已知的启动/停止解决方案包含一个大的主电池，如传统的铅酸电池，以及尺寸较小的辅助电池。在此类已知布置中的该辅助电池被布置成在热曲柄(warmcranks )期间为车辆的电气系统供电。然而，此类已知的布置在启动/停止情况数量增加、更高的时间要求以及各种车辆系统耗电量增加的情况下受到明显的限制。
发明内容
本文的实施例目的在于提供一种用于改进具有设置有启动/停止系统的内燃机的车辆的电气系统性能的布置。该目的通过提供一种布置实现，该布置的电气系统还包括第一电池(primarybattery,主要电池),其通过启动器螺线管(starter solenoid)选择性地可连接至内燃机的启动器电机；交流发电机(alternator)和附加的车辆电气负载，它们相互并联布置并且通过第一开关能够选择性地与第一电池并联连接，其中该电气系统进一步包括第三电能来源(third source of electrical energy),其通过第二开关能够选择性地与交流发电机并联连接。提供第三电能来源使其通过第二开关能够选择性地与交流发电机并联连接，确保了当车辆的交流发电机关闭时车辆电气系统的供电。该第三电能来源可进一步由交流发电机用减速期间回收的能量进行充电。根据第二方面，与交流发电机并联布置的还有DC/DC变换器(converter),该DC/DC变换器被布置成用于为第三电能来源选择性地充电。与交流发电机并联地提供DC/DC变换器(如第二方面所述)确保了第三电能来源的充电，由此DC/DC充电功率可降低，因为循环电池的主要充电来源于交流发电机。
根据第三方面,该第三电能来源是超级电容器(super capacitor)。根据第四方面，该第三电能来源是锂离子电池。如第三或第四方面所述的超级电容器或锂离子电池提供了电能的可再充电来源，尤其适用于高的能量吞吐量，并且因此极大地减少了具有设置有启动/停止系统的内燃机的车辆的第一电池(如铅酸电池)的电能吞吐量。这也有利实现第一电池的预期寿命。根据第五方面，与交流发电机并联布置有第二电池(secondary battery)。如第五方面所述的与交流发电机并联布置的第二电池为车辆的电气负载提 供冗余度，例如，包括第三电能来源的电路出现误差时。本方法为布置的各方面提供如以上所述的相同的优点。
在下文中，将参照附图仅通过实例对本文的实施例进行更详细地说明，附图中图I是用于改进具有设置有启动/停止系统的内燃机的车辆的电气系统性能的布置的第一实施例的示意性电路图。图2是示出了用于改进具有设置有启动/停止系统的内燃机的车辆的电气系统性能的布置的可替换实施例的示意性电路图。通过结合附图考虑的以下详细说明，本文实施例的其他目的和特征将变得显而易见。然而应当理解，附图仅设计为示出的目的并且不用于定义本发明的范围，本发明的范围应参考附属权利要求。还应当理解，附图无需按比例绘制并且除非另有说明，附图仅旨在概念性地示出本文描述的结构和程序。
具体实施例方式总的来看，本文的实施例(如图I中示意性示出)涉及一种用于改进具有设置有启动/停止系统的内燃机的车辆的电气系统性能的布置，该电气系统进一步包括第一电池VI，其通过启动器螺线管SS选择性地可连接至启动器电机S，交流发电机A和附加的车辆电子负载Z，它们相互并联布置并且能够通过第一开关SI选择性地与第一电池Vl并联连接。根据图I的布置，与交流发电机A并联布置的还有DC/DC变换器，布置该DC/DC变换器是用于为第三电能来源V3选择性地充电，该第三电能来源V3能够通过第二开关S2选择性地与交流发电机A并联连接。然而，假如第三电能来源V3使用的是带有适当的电压特征和低内电阻的锂离子化学产品，可移除该DC/DC变换器(未示出)。这就意味着第三电能来源V3的充电仅由交流发电机A执行。在一个实施例中，第三电能来源V3是超级电容器。在一个替换实施例中，第三电能来源V3是锂离子电池。超级电容器和锂离子电池两者均适用于高的能量吞吐量。在又一个实施例中，如图2中示出，第二电池V2与交流发电机A并联布置。因而，以上所述的实施例涉及极大地减少车辆的第一电池Vl (如铅酸电池)的电能吞吐量，上述车辆具有设置有启动/停止系统的内燃机。如上所述，这是通过使用与第一电池Vl并联的诸如循环电池的第三电能来源V3，例如锂离子电池或镍氢电池所实现的。第三电能来源V3是用于当车辆的交流发电机A关闭时，为车辆的电气负载Z供电。第三电能来源V3通过减速期间回收的能量由交流发电机A或者通过诸如DC/DC变换器的小型的充电装置进行充电。第三电能来源V3通过第二开关S2连接至电气系统，第二开关应为继电器或MOSFET开关。循环电池，如锂离子电池、镍氢电池或其他电池，比传统铅酸电池具有更能处理能量吞吐量的更大容量。其目的因而在于通过使用与第一电池Vl并联的第三电能来源V3，在当第一电池尤其是铅酸电池时极大地减少第一电池上的能量吞吐量，第三电能来源是循环电池，其用于当交流发电机A关闭时为车辆的电气负载Z供电。 第三电能来源V3被布置成由交流发电机A使用车辆减速期间回收的能量或者由诸如DC/DC变换器的小型充电装置(在必要时)进行充电。第三电能来源V3将由第二开关S2，S卩，也能控制充放能量的继电器或MOSFET开关，连接至电气系统。 由此解决的一个问题是，在交流发电机电压增加时的车辆迟缓期间，第三电能来源V3可由交流发电机A进行充电。通常会使用大功率充电装置，DC/DC或相似的充电装置，来控制第三电能来源V3的充电。根据提出的解决方案，充电DC/DC的功率可极大地降低，因为第三电能来源V3的主要充电来源于交流发电机A。如之前提到的，假如第三电能来源V3使用的是带有适当的电压特征和较低的内电阻的锂离子化学产品，就可移除DC/DC变换器。因而使得第三电能来源V3的充电仅由交流发电机A完成。根据图2的实施例，当交流发电机A在内燃机待机(standby,备用)期间(启动/停止应用中停顿或有速状态下的停止阶段)关闭时，第三电能来源V3由第二开关S2与第二电池V2并联连接，第二电池将充当消耗电池，并且因而将为电气系统供电。这可通过挑选比第二电池V2具有更高的开路电压的第三电能来源V3来实现。此外，相比于现有技术的解决方案，因为第二电池V2的尺寸可较小，所以车辆的电源重量将减轻。并且电气系统中负载的冗余馈给将得到极大改进。该布置也将能使发动机和交流发电机A在有速行驶期间关闭。相同的布置可用于卡车和公共汽车。通过在循环电池(cycling battery)中添加单电池(cel I )，可调整该布置以处理24V、48V或其他任何更高的电压。应当注意的是，第一开关SI和第二开关S2两者以及与第一开关SI并联布置的冗余二极管Dl均是象征性地示出功能。在提出的布置的执行中，提议第一开关SI和第二开关S2均使用软件控制的MOSFET开关。本应用还提供一种方法，用于改进具有设置有启动/停止系统的内燃机的车辆的电气系统性能。该电气系统进一步包括第一电池VI，其通过启动器螺线管SS选择性地可连接至用于内燃机的启动器电机S。交流发电机A和附加的车辆电气负载Z相互并联地布置并且能够通过第一开关SI与第一电池Vl选择性地并联连接。本方法包括以下步骤与交流发电机A并联地布置DC/DC变换器；并且布置所述DC/DC变换器，以便选择性地对第三电能来源V3进行充电，该第三电能来源V3能够通过第二开关S2与交流发电机A选择性地并联连接。在本方法的一个实施例中，其包括进一步的步骤布置第三电能来源V3为超级电容器。
在本方法的替换实施例中，其包括进一步的步骤布置第三电能来源V3为锂离子电池。在本方法的另一个实施例中，其包括进一步的步骤与交流发电机A并联地布置第二电池V2。以下将描述一些使用情形，此类实例示出根据图I实施例的布置的使用。在第一种使用情形中，假设车辆处于停放状态。第一电池Vl将为车辆的电气负载Z供电。未使用第三电能来源V3 (即，循环电池)并且第一开关SI和第二开关S2两者是闭合的。在第二种使用情形中，假设车辆是在辅助模式(accessory mode,配套模式)下使用，其中内燃机不运转。第一电池Vl将为车辆的电气负载Z供电。未使用第三电能来源V3(即，循环电池)并且第一开关SI闭合而第二开关S2断开。 在第三种使用情形中,假设车辆是在内燃机起动(cranking)期间使用。第一电池Vl将为车辆的电气负载Z和启动器S供电,或作为替换仅为启动器S供电。未使用第三电能来源V3 (或循环电池)，或作为替代，用于为车辆的电气负载Z供电。根据选定的解决方案，第一开关SI和第二开关S2分别断开和闭合。在第四种使用情形中，假设车辆在行驶模式中使用，并且内燃机运行。“行驶模式”应理解为包括车辆以高速(at speed)行驶的模式。第一电池Vl将为车辆的电气负载Z供电。第三电能来源V3 (或循环电池)由交流发电机A或DC/DC变换器充电，并且还用作车辆的电气负载Z的冗余供电以及在出现高瞬态电流消耗时提供低压保护。在车辆迟缓期间第一开关SI将会闭合并且第二开关S2将会闭合，以便在交流发电机电压增加或在支持车辆的电气负载Z出现瞬态时将自由能(free energy)充入第三电能来源V3。在第五种使用情形中，假设车辆在行驶模式中使用，并且内燃机在启动/停止情况下处于待机状态。第一电池Vl将为车辆的电气负载Z提供冗余供电。第三电能来源V3(或循环电池)将为车辆的电气负载Z提供主要供电，这是由于事实上其具有比第一电池更高的开路电压，尤其是在当第一电池Vl是铅酸电池时。第一开关SI和第二开关S2均闭合。在第六种使用情形中，假设车辆是在行驶模式中使用，并且内燃机处于在内燃机起动以热启动期间的待机状态。第一电池Vl将为启动器电机供电。第三电能来源V3 (或循环电池)将为车辆的电气负载Z供电。第一开关SI断开而第二开关S2闭合。下文中将描述一些使用情形，这些使用情形示出了根据图2实施例的布置的使用。在第七种使用情形中，假设车辆被停放。未使用第一电池VI。第二电池V2将为车辆的电气负载Z供电。未使用第三电能来源V3 (或循环电池),并且第一开关SI和第二开关S2均断开。在第八种使用情形中，假设车辆在辅助模式中使用，其中内燃机不运转。未使用第一电池VI。第二电池V2将为车辆的电气负载Z供电。未使用第三电能来源V3 (或循环电池)，并且第一开关SI和第二开关S2均断开。在第九种情形中，假设车辆在内燃机起动期间使用。第一电池Vl将为启动器供电。第二电池V2将为车辆的电气负载Z供电。未使用第三电能来源V3 (或循环电池),并且第一开关SI和第二开关S2均断开。
在第十种使用情形中，假设车辆在行驶模式中使用，并且内燃机运转。第一电池Vl将由交流发电机A充电并且为车辆的电气负载Z提供冗余供电并且在高瞬态电流消耗时提供低电压保护。第二电池V2将为车辆的电气负载Z供电。第三电能来源V3(或循环电池)由交流发电机A或DC/DC变换器进行充电，并且其还用作为车辆的电气负载Z提供冗余供电并且在高瞬态电流消耗时提供低压保护。第一开关SI将在指定时间段内闭合以为第一电池Vl充电或在瞬态辅助负载时闭合，并且第二开关S2将在车辆迟缓期间闭合，以便在当交流发电机电压增加或在支持车辆的电气负载Z出现瞬态时将自由能充入第三电能来源V3。在第十一种使用情形中，假设车辆在行驶模式中使用，并且内燃机在启动/停止情况下处于待机状态。第一电池Vl将为车辆的电气负载Z提供冗余供电。第二电池V2将在高瞬态电流消耗下为车辆的电气负载Z提供冗余供电。第三电能来源V3 (或循环电池)将为车辆的电气负载Z提供主要供电，这是由于事实上其比第一电池Vl具有更高的开路电压，尤其是当第一电池Vl是铅酸电池时。第一开关SI断开并且第二开关S2闭合。
在第十二种使用情形中，假设车辆在行驶模式中使用，并且内燃机处于在内燃机起动以热启动期间的待机状态。第一电池Vl将为启动器电机S提供供电。第二电池V2将在高瞬态电流消耗下为车辆的电气负载Z提供冗余供电。第三电能来源V3 (或循环电池)将为车辆的电气负载Z提供主要供电，这是由于事实上其比第一电池Vl具有更高的开路电压，尤其是在当第一电池Vl是铅酸电池时。第一开关SI断开而第二开关S2闭合。根据本应用还可设想一种包括如上所述的布置的车辆。以上所述的实施例可在以下权利要求范围内有所变化。因此，虽然已示出、描述和指明了本文实施例的基本新型性特征，但应将理解的是，本领域的技术人员可对示出装置的形式和细节以及它们的操作进行各种省略、替换和更改。例如，明显地目的在于以大致相同的方式执行大致相似的功能的此类元件和/或方法步骤的所有的组合是等效的。此外，应当意识到，与本文中任何公开形式或实施例相关而示出和/或描述的结构和/或元件和/或方法步骤，可包含于任何作为一般设计选择的其他公开的或描述的或建议的形式或实施例中。
权利要求
1.一种用于改进车辆的电气系统性能的布置，所述车辆具有设置有启动/停止系统的内燃机，所述电气系统进一步包括第一电池(VI)，所述第一电池通过启动器螺线管(SS)能够选择性地连接至用于所述内燃机的启动器电机(S)， 交流发电机(A)和附加的车辆电气负载(Z ),所述交流发电机和附加的车辆电气负载相互并联布置并且通过第一开关(SI)能够选择性地与所述第一电池(Vl)并联连接，其特征在于 所述电气系统进一步包括第三电能来源(V3)，所述第三电能来源通过第二开关(S2)能够选择性地与所述交流发电机(A)并联连接。
2.根据权利要求I所述的布置，其特征在于，与所述交流发电机(A)进一步并联布置有DC/DC变换器(DC/DC)，所述DC/DC变换器(DC/DC)被布置成用于为所述第三电能来源(V3)选择性地充电。
3.根据权利要求I至2中任一项所述的布置，其特征在于，所述第三电能来源(V3)是超级电容器。
4.根据权利要求I至2中任一项所述的布置，其特征在于，所述第三电能来源(V3)是锂离子电池。
5.根据权利要求I至4中任一项所述的布置，其特征在于，与所述交流发电机(A)并联布置有第二电池(V2)。
6.一种用于改进车辆的电气系统性能的方法，所述车辆具有设置有启动/停止系统的内燃机，所述电气系统进一步包括第一电池(VI)，所述第一电池通过启动器螺线管(SS)能够选择性地连接至用于所述内燃机的启动器电机(S)， 交流发电机(A)和附加的车辆电气负载(Z ),所述交流发电机和附加的车辆电气负载相互并联布置并且通过第一开关(SI)能够选择性地与所述第一电池(Vl)并联连接，其特征在于，所述方法包括以下步骤 布置第三电能来源(V3)，使其通过第二开关(S2)能够选择性地与所述交流发电机(A)并联连接。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括以下步骤与所述交流发电机(A)并联地布置DC/DC变换器(DC/DC)，以及 布置所述DC/DC变换器(DC/DC)，用于为所述第三电能来源(V3)选择性地充电。
8.根据权利要求6至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括将所述第三电能来源(V3)布置为超级电容器的步骤。
9.根据权利要求6至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括将所述第三电能来源(V3)布置为锂离子电池的步骤。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括与所述交流发电机(A)并联地布置第二电池(V2)的步骤。
11.一种车辆，其特征在于，所述车辆包括根据权利要求I至5中任一项所述的布置。
全文摘要
本发明涉及用于改进车辆电气系统性能的布置、方法及包括该布置的车辆，该车辆具有设置有启动/停止系统的内燃机。该电气系统进一步包括第一电池(V1)，该第一电机能够通过启动器螺线管(SS)选择性地连接至内燃机的启动器电机(S)。交流发电机(A)和附加的车辆电气负载(Z)相互并联布置并且能够通过第一开关(S1)选择性地与第一电池(V1)并联连接。提供第三电能来源(V3)，从而其能够通过第二开关(S2)选择性地与交流发电机(A)并联连接。
文档编号H02K11/00GK102951100SQ20121025864
公开日2013年3月6日 申请日期2012年7月24日 优先权日2011年8月25日
发明者托尔比约恩·拉松, 帕特里克·拉松, 丹尼尔·米德霍姆, 弗雷德里克·乌尔姆哈格 申请人:沃尔沃汽车公司