CN106463989B - 引擎启动与电池支持模块 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于车辆的引擎启动与电池支持模块，其利用超级电容器(UC)组，其中该超级电容器组在车辆的交流发电机运行时或不运行时充电到支持引擎启动辅助和宾馆负载支持两者的电平。在低温时段期间可以调整和提升UC的每单元电荷，或者在极低温期间可以将UC每单元电荷调整和提升为更高。该调整可以是动态的和/或自动的，增加了UC能量储存能力。进一步地，通过脉冲宽度调制(PWM)控制器基于DC总线电压控制从UC的能量释放。可以从板上DC/DC转换器、AC钩或通过智能地在并联与串联配置之间切换UC组为UC充电。

Description

引擎启动与电池支持模块
相关申请的交叉引用
根据35 U.S.C 119(e)，本申请要求于2014年6月20日提交的题为“Energy Startand Battery Support Module”的美国申请No.62/014910的优先权。上述申请通过引用全部并入本文中。
技术领域
本发明涉及一般而言车辆领域。具体而言，本发明涉及车辆的引擎启动与电池支持。
背景技术
在汽车和货运行业两者中，对通常实践、规律和接受的行为的改变迫使在停车期间关停引擎。关停汽车或货车引擎在电池和启动器马达上造成压力，导致电池变弱和***整体性能降低。严酷的状况(诸如极端寒冷环境)使问题恶化，并且可能导致彻底的电池失效和/或启动器失效。
引擎每天关停的次数可能依赖于车辆架构、车辆使用等。总体而言，有两种类型的车辆架构：“本地传送(local delivery)”车辆，其每天可以有例如多达250次关断事件；和“长途运输(long haul)”车辆，其每天可以有例如达25次关断事件。这些关断事件在车辆的DC电气总线上创建低电压状况，这导致了来自车载(on-board)能量储存***的较高电力要求。DC电气总线上的低电压状况还可能给其它车辆部件(包括电子控制单元(ElectronicControl Units，ECU)、继电器、开关和泵)造成压力。
发明内容
本发明的实施例包括能量启动与电池支持模块，该模块被配置为支持使用超级电容器(Ultra Capacitors，UC)直接对车辆的直流(DC)电压总线的能量供应，其中在车辆的引擎关闭时，该超级电容器允许在停车期间对短期电池负载的电压支持和启动器马达的旋转两者。这一模块不必然要求对车辆的任何布线改变，也不必然要求或涉及任何车辆变更或对车辆操作程序的改变。
在关闭序列期间，不管静负载(static load)的变化或引擎启动器的变化，通过(包括在引擎启动期间)调制能量转移，该模块都可以自动地稳定车辆的DC电压，从而支持健康的电池和较长的启动器寿命。它可以自动地调整它储存的能量的量，从而延长模块中的UC和电子器件的寿命。在一些情况下，在车辆的电池电量完全耗空(go dead)时，该模块为车辆的电子器件和/或车辆的启动器供应适当的电压。
该模块的一些实施例可以基于车辆供应电力的能力自动地对UC再充电。例如，该模块可以包括DC升压转换器或开关，其中该DC升压转换器对UC再充电，该开关将UC分离成两个或更多个相等或不相等的堆并且并联地为该堆降压充电(buck charge)。如果交流发电机运行，则该模块可以将较多电力转移到UC，并且如果车辆的电池没有足够能量以开始车辆启动序列，则该模块可以将较少电力转移到UC。当车辆的交流发电机不运行时，该模块还可以从UC转移能量。在一些情况下，该模块可以不使车辆的电池耗至预设的电压电平以下，例如12伏***中的9伏或24伏***中的18伏。
在一些实施例中，如果在第一次尝试时车辆没有启动或电池太弱而不能靠它们自己供应足够的电力，则该模块允许车辆的操作员再次开始该模块的充电，消除单独的跨接启动(jump start)的使用。在一些实施例中，该模块可以配合到使用标准电池机箱大小的车辆上的标准电池区域中，或者可以被如所期望地调整规模以适应任何车辆。
在一些实施例中，***可以在任何车辆中通过30天机场测试(airport test)而不造成电池电量耗空。如本领域技术人员所理解的，30天机场测试模拟在低至-20℃的温度下将车辆在机场停放30天。在这30天期间，车辆的电气***从电池或能量储存***消耗能量以运行关键的车辆***，诸如警报器、计算机、锁定机构、时钟等。当车辆所有者返回时，车辆应该有足够的能量保留在它的能量储存***(传统地为铅酸电池)中，以便开始起动事件并且支持引擎启动***。通过30天机场测试是对汽车电池和电气***的通常要求。
该模块可以被实现为固态(solid-state)***(例如，不利用继电器在任一方向上转移能量)。例如，该模块的电子器件可以包括一个或多个增强型n沟道场效应晶体管(N-FET)，该增强型n沟道场效应晶体管可以被并联使用以减少能量传送的等效串联电阻(Equivalent Series Resistance，ESR)，或者甚至可以被用于分离模式再充电方案。在一些实施例中，电子器件的总静态电流(quiescent current)可以小于50mA，以使得在延长的时段期间不出现过耗(excess drain)。
模块可以包括DC转换器，该DC转换器的输入和输出电压和电流可以被控制，以允许：(1)精确控制UC的背部上的电压；(2)控制UC上的充电电流，从而促进将电量完全耗空的UC集合充到满电的能力；(3)设置输入电流以使得不从***汲取过多电力，从而允许车辆的DC总线操作其它设备；和/或(4)设置最小输入电压用于使UC充电减速(throttle back)，从而避免在期望的或预定的(例如，安全的)操作状况(regime)之外操作电池***。
DC转换器可以被分成多个相角，以使得能实现较低的峰值电流、较少的电磁干扰(EMI)和/或较小的更有效的部件。多个相可以在360°的基础上相等地间隔。例如，4相DC转换器将电流泵电荷(current pump charge)分离成四个相等的部分，这四个部分在时间谱(time spectrum)上相隔90度。DC转换器可以控制输入侧上的电流和/或电压以及输出侧上的电流和/或电压。例如，电压输出可以设置储存在UC上的最大电压电位，该最大电压电位可以与储存的能量(能量可以由公式E＝0.5CV2表示)相等。电流输出控制可以允许DC转换器为完全空的UC组充电而不出现过电流(例如，通常会使转换器崩溃的电流)。在一些实施例中，当交流发电机不运行并且从电池转移离开的能量被限制从而防止DC总线变为预定电压以下(例如，12伏***中的9伏或24伏***中的18伏)时，输入电压限制和输入电流控制可以允许***操作。
该模块可以被封装为仅具有两个到外部世界的端子连接件，并且该模块可以被连接到引擎，就像电池被连接到引擎。安装可以是简单并且安全的，并且当该模块被初始连接时，可能只有很少电流以至没有电流流动。为了简单和较低的成本，控制装置可以共同位于单个印刷电路板组件(PCBA)上。
对整个***的控制可以基于DC电压，这使得能使用可接受的设置点和预定的电池电压实现能量的双向转移。这一控制可以在模拟域或数字域中完成；控制还可以是异步的，并且因此可适应几乎任何车辆。控制有明显为零的固有滞后(built-in hysteresis)，这允许快速并且极稳定的电压电平。因为它是异步的并且在响应中没有强制(forced)频域，所以可以实现稳定性。换言之，能量转移可以不被强制在任何速率或调节器重复脉冲处。在一些情况下，仅转移足够的能量以满足设置点。由于每个车辆和每个车辆的布线负载是独有的，这允许一体通用(one-size-fits-all)的模块架构。
示例模块可以包括用于控制(例如，均衡)超级电容器电荷的有源平衡电路，由此防止任何单个超级电容器吸收过多能量。UC平衡电路可以是动态的，并且设置点可以随着温度变化。因为能量被调制回到车辆的DC总线，所以储存在UC中的能量可以高于车辆的额定***本身的能量。与能量被储存在接近等电位处的情况相比，这允许储存较多能量以及出现较少峰值电流。这一方法支持较长时段的延长的车辆静负载支持，包括在传送车辆使用的情况下的那些。对用于储存能量的超级电容器的数量或者它们的确切的并联/串联配置没有实践限制，只要总的单元电压高于车辆的电池***的电压电平即可。
在一些实施例中，该模块可以包括多个电压比较器(例如，每个DC转换器对应三个电压比较器)和耦接到电压比较器的逻辑器。逻辑器基于一些或全部电压比较器(例如，三个电压比较器中的两个)的值确定是否再充电或传送能量。这大幅增加了***的整体可靠性和可依赖性。它还可以包括两个较小的DC转换器，该DC转换器支持***的电子器件在非常宽的DC总线操作范围上的操作，并且克服了栅极-源极电压阈值。
该模块可以与任何化学电池兼容，包括但不限于铅酸电池。
本技术的附加的实施例包括用于调节车辆中的车辆电池的电压电平的方法。在示例方法中，控制逻辑器确定电压电平是否在预定的电压阈值以下，该确定可以基于车辆电池年龄、车辆年龄、车辆电池状况、车辆电池量、车辆电池类型、车辆启动器类型、启动器年龄、温度和车辆驾驶员的经验。如果电压电平在预定的电压阈值以下，控制逻辑器开始与车辆电池电气通信的至少一个超级电容器的放电。控制逻辑器调制超级电容器的放电，从而例如通过控制流过与超级电容器电气通信的至少一个晶体管的电流，将电压电平至少提升到预定的电压阈值。
此外，当车辆的交流发电机关闭时，控制逻辑器可以将能量从车辆电池转移到超级电容器。在确定电压电平超过再充电电压阈值之后，可以开始这一能量转移。在一些情况下，仅当车辆电池的电压量超过再充电电压阈值时开始能量转移。当电压电平小于启动车辆所要求的电压电平时，也可以将能量从车辆电池转移到超级电容器。
在一些情况下，可以有多个超级电容器，由控制逻辑器将该多个超级电容器在用于充电的并联配置和用于放电的串联配置之间切换。
本技术的另一个示例包括用于调节车辆电池的电压电平的装置。这一装置可以包括：串联连接以储存电荷的多个超级电容器；与车辆电池和超级电容器电气通信的至少一个电压比较器；以及与电压比较器和超级电容器电气通信的控制逻辑器。在操作中，比较器实行对电压电平与预定的电压阈值的比较。并且控制逻辑器基于该比较调制超级电容器的放电，从而将电压电平至少提升到预定的电压阈值。
在一些实施例中，控制逻辑器包括与超级电容器电气通信的至少一个晶体管，以控制流入和/或流出超级电容器的电流。比较器可以与晶体管的栅极电气通信，以控制流入和/或流出超级电容器的电流。
该装置还可以包括与超级电容器和一个或多个电压比较器电气通信的直流(DC)转换器。在操作中，DC转换器响应于电压电平与再充电电压阈值的比较，对超级电容器充电。在这些示例中，电压比较器可以包括与DC转换器电气通信的第一电压比较器和与控制逻辑器电气通信的第二电压比较器。如果电压电平超过再充电电压阈值，则第一电压比较器启用DC转换器，并且第二电压比较器实行对电压电平与预定的电压阈值的比较。DC转换器还可以被配置为响应于来自电压比较器的指示电压电平在再充电电压阈值以上的输出，从车辆电池向超级电容器转移电荷。并且DC转换器可以响应于来自一个或多个比较器的输出，向车辆的车辆总线传送能量。
该装置还可以包括可操作地耦接到DC转换器的温度传感器，以监控车辆电池的温度。如果期望，DC转换器可以被配置为基于车辆电池的温度，改变预定的电压阈值和/或再充电电压阈值。
该装置还可以包括与超级电容器电气通信的开关，从而在串联配置和并联配置(例如，分别用于放电和充电)之间切换超级电容器。并且该装置可以包括可操作地耦接到控制逻辑器的手动接口，该手动接口使车辆的驾驶员能接入和/或脱离该装置。
另一个实施例包括用于调节车辆电池的电压电平的装置，该装置包括：多个超级电容器；与车辆电池电气通信的第一电压比较器；与第一电压比较器和超级电容器电气通信的控制逻辑器；与车辆电池电气通信的第二电压比较器；与第一电压比较器和超级电容器电气通信的控制逻辑器；与超级电容器和第二电压比较器电气通信的DC转换器；以及可操作地耦接到DC转换器的温度传感器。在操作中，第一电压比较器比较电压电平与第一电压阈值。如果电压电平在第一电压阈值以下，则控制逻辑器使超级电容器放电。第二电压比较器比较电压电平与第二电压阈值。如果电压电平在第二电压阈值以上，则控制逻辑器使超级电容器放电。如果电压电平在第二电压阈值以上，则DC转换器对多个超级电容器充电。并且温度传感器监控车辆电池的温度。DC转换器还可以基于车辆电池的温度，改变第一电压阈值和/或第二电压阈值。
应认可，以下更详细地讨论的上述构思和附加的构思的全部组合(如果这样的构思不互相矛盾)被构想为本文中公开的发明主题的一部分。特别地，在本公开的末尾出现的所要求保护的主题的全部组合被构想为本文中公开的发明主题的一部分。还应认可，本文中明确采用的、也可能出现在任何通过引用并入的公开中的术语应按照最符合本文中公开的特定构思的意义。
附图说明
技术人员将理解，附图首要用于说明性目的，而不意图限制本文中描述的发明主题的范围。附图不必然按照比例绘制；在一些例子中，在附图中，本文中公开的发明主题的各种方面可以被示出为扩大的或放大的，从而促进对不同特征的理解。在附图中，相似的参考标记一般指代相似的特征(例如，功能上相似和/或结构上相似的元件)。
图1A是示例引擎启动与电池支持模块的图片。
图1B-1C是说明安装在车辆(例如，汽车或货车)中的引擎启动与电池支持模块的示例使用的示意图。
图2A-2B示出描绘用于示例引擎启动与电池支持模块的整体主架构的电路图。
图3A-3C示出可以被用于引擎启动与电池支持模块从而对耗尽的超级电容器组再充电的DC转换器的几个实施例。
图3D-3E示出图3C的隔离DC转换器的示例特征。
图4示出引擎启动与电池支持模块中的开关，该开关用于将超级电容器之间的内部单元连接从串联连接切换为并联连接，以及反之。
图5A-5B示出用于引擎启动与电池支持模块中的被布置为非分离(non-split，图5A)和分离(split，图5B)串联配置的超级电容器。
图6A-6B示出可以被用于引擎启动与电池支持模块的示例直流转换器的电路图。
图7示出说明引擎启动与电池支持模块的示例操作的流程图。
具体实施方式
当开始引擎启动序列时，可以使用基于超级电容器的引擎起动(cranking)***来辅助车辆电池***进行起动。利用这些***，可以对现有的车辆布线***改线以创建从超级电容器到启动器马达的直接连接。在一些情况下，超级电容器可以与车辆电池并联。当开始启动序列时，超级电容器被放电，提供能量以使启动器马达旋转。在引擎启动之后，使用车辆的交流发电机/发电机产生电并且因而对超级电容器再充电。这一***还可以包括从并联连接的电池对超级电容器再充电的DC/DC转换器。
示例引擎启动与电池支持模块
图1A-1C示出了基于超级电容器(UC)的示例引擎启动与电池支持模块(以下称为“模块”)100，该模块可以被用于在引擎启动序列期间辅助车辆电池***。图1A-1C中示出的模块100是双线***，并且可以与任何数量的电池并联地被包括到任何标准DC总线中。可以使用模块100为正在启动(例如，通过车辆启动器101)或者停车时正在消耗大的负载的车辆维持健康的DC总线电压。例如，如图1B-1C中示出的，它可以被用于加强车辆中现有的电池102，或者被用作传统的铅酸电池的替代。这样的模块的一些优点是，它可以被安全地安装并且不需要特殊工具，并且对现有设施可以要求很少的布线改变或不要求布线改变。
在一些实施例中，模块100可以包括UC组，该UC组支持引擎103启动辅助和“宾馆负载(hotel load)”104a支持两者。术语“宾馆负载”是指车辆上的非驾驶能量需求，包括用于照明、空调、加热、计算机、追踪***、安全***等的能量，其在图1C中被指示为车辆负载104a和附件负载104b。当车辆的引擎103关闭时，车辆的能量需求构成宾馆负载。可以使用模块100启动车辆和/或以受控的方式将能量传送回车辆，从而在短期停车期间支持车辆的静负载和/或供应能量以使车辆的电子器件运行，这样，一旦引擎103起动，就允许车辆启动。在短的停车期间的静负载的示例可以是电子器件、空调、照明***等，一旦车辆的引擎103已经停止，仍保持开启。在一些实施例中，静负载可以包括附件负载104b。
在一些实施例中，模块100可以被配置为在来自极弱的电池和/或来自过高数量的引擎启动的影响的威胁下，处理车辆在恶劣天气中启动的困难/无力。进一步地，在短的关断时间和起动期间，模块100通过维持在车辆的直流(DC)总线106上的电压(例如，如果该电压下降则使它增加)，增强车辆的电池102和启动器马达101的健康，其中，例如，直流(DC)总线106包含负极DC总线106a和正极DC总线106b(图1C)。例如，在一些情况下，维持较高和/或较稳定的电压允许电池102和启动器马达101的寿命显著地增加。
在一些实施例中，模块100可以是全固态的。如在电子领域中理解的，与继电器和接触器相比，包括场效应晶体管(FET)和绝缘栅双极晶体管(IGBT)的固态部件趋于较快速、较可靠并且消耗较少的电力。进一步地，模块100可以提供允许驾驶员有手动的“重做(Redo)”按钮的能力，该按钮可以启动从电池102到UC的能量转移。例如，这可以被用于在第一次时车辆可能不启动的情形。这可以允许***在命令时再充电，即使当交流发电机105不运行时。虽然充电持续(duration-to-charge)时间可能较长，但是净结果可以是相同的。此外，可以添加更多和/或更大的UC组以增加***的总能量储存能力，例如，用于辅助电力单元(Auxiliary Power Unit，APU)。
在一些实施例中，可以物理上和/或能量上地调整模块100的规模以满足多数或全部应用。例如，可以将模块100设计为配合到电池组国际电池理事会(Battery CouncilInternational，BCI)大小31(例如，对应于重型(heavyduty)商业级电池)。在一些实施例中，整体形状可以近似为矩形，并且两个线可以对应于正极和负极电池端子。在一些实施例中，模块100可以与现有的车辆电池***兼容，并且可以不要求特殊的安装方法、工具和/或安全要求，用作一种大小配合全部架构类型。例如，可以将模块100设计为配合到壳体中，其中壳体为标准电池大小，并且还可以将模块100直接接合在总线上。在一些实施例中，模块100可以配合到组31大小中，其中模块100具有略高于标准组31电池或“突出(bump out)”的高度，从而支持具有电子器件的18个单元。由于模块100可以比重型铅电池轻，可以使用新加工的机箱以最大化空间。图1B-1C示出了说明安装在车辆中的引擎启动与电池支持模块100的示例使用的示意图。
引擎启动与电池支持模块架构
图2A-2B示出描绘用于示例引擎启动与电池支持模块100的整体主架构200的电路图，其中该架构具有对应于正极电池端子212a和负极电池端子212b的两线***。架构200允许对支持宾馆负载和引擎启动的电压电平的独立调整，因而提供了依赖于特定应用和/或确切安装的可变的能量传送。模块100能够调制UC 201与***电池102之间的两个方向上的能量转移。例如，模块100识别对于引擎不运行的短的停车，何时传送电荷以保持电池102活动。它还识别静负载，从而在启动之前在一些应用中重置电子器件。此外，在引擎启动期间，它可以自动地将UC组201中的任何保留的能量直接并联连接到电池102，由此保持***电压在某确定的较低的电平以上，其中该较低的电平可能造成早期电池失效和启动器马达失效。实际上，它改变了车辆DC***整体的ESR。可以根据要被用于与宾馆负载比较的ESR的量，使用串联和并联单元配置的不同组合。
例如，架构200含有串联的UC 201的串，其中每个UC 201可以是静电地储存能量的高比电容的电化学电容器。典型的UC 201具有电解电容器的电容值的约10000倍的电容值，常规电池的能量密度的近似10％的能量密度，以及电池的电力密度的达100倍的电力密度。与常规电池相比，这允许超级电容器201的较快充电和放电循环。与电池相比，这还可以给予UC 201极长的循环寿命。
每个UC 201可以被充电到预定的每单元电压电平。作为具体示例，UC 201可以被充电到支持2.7V/单元。当达到低温(例如，0°F)时，每单元电压值可以被自动地移得较高(例如，3.0V/单元)，并且当温度降到更低(例如，-20°F以下)时，每单元电压可以甚至更高(例如，3.3V/单元)。在一些实施例中，可以由传感器202测量温度。在一些实施例中，UC 201的每个组可以使用DC/DC转换器(例如，500W DC/DC转换器)203，该转换器可以在工厂中设置到一电压范围，例如，从16.2V到24V。转换器203可以具有升压拓扑或单端初级电感器转换器(SEPIC)拓扑。
在一些实施例中，储存在UC 201中的能量可以从DC总线中取出，并且在一些例子中，它可以被直接从UC 201转移回到相同的DC总线，以允许车辆中的电池102的受控的充电过程。实际上，模块100实质上不断动态地调整车辆的电气***的等效串联电阻(ESR)。在一些实施例中，模块100包括UC 201，该UC 201可以具有与典型电池相比显著较小的ESR，并且可以提供基于车辆的改变的需要，利用极小的接口，立刻和/或在连续的基础上快速储存能量和将储存的能量传送回车辆的能力。UC 201的ESR越小，整体能量转移可以越有效。***可以是对期望的能量规模可调的，其中期望的能量可以由车辆的大小及其“工作流(workflow)”规定。通过调制从UC 201回到DC电池总线的能量转移，模块100传送期望的量的能量，而不传送过多能量(并且浪费超出的能量)，也不会能量不足和未传送足够的能量，如当模块传送预定量的电力时可能发生的。在一些实施例中，能量转移的调制和/或UC 201的充电和/或放电可以由逻辑控制器210控制，并且可以经由FET 220实现，其中逻辑控制器210可以与DC转换器203和UC 201电气通信。模块100确定如何基于由几个变量造成的电压和/或电流的变化调制能量转移，其中变量包括但不限于车辆DC总线负载、启动器马达大小、电池年龄、布线状况、电池状况、电池量、附件、启动器类型、启动器年龄、电池类型、温度、驾驶员的经验等。
例如，模块100可以允许在延长的时段上从另外的电量耗空的电池汲取能量，而不使它们进一步崩溃到破坏性的电压电平以下。例如，被放电到其电压不足以启动内燃引擎的点的铅酸电池可能仍拥有足够的能量以将一个或多个UC完全充电(例如，如果UC储存少于电池的能量)。模块100可以使用DC转换器203从电池102对UC 201充电，其中DC转换器203控制UC 201和电池102对的输入侧和输出侧两者上的电流和电压两者。
在一些实施例中，在对车辆的电池102的DC总线电压的支持中，例如，通过降压转换器，向DC总线的能量转移可以是脉冲式的。例如，脉冲可以不是固定的脉冲宽度调制(PWM)204，而可以是处于它被安装在其中的特定货车的自然频率。简言之，从UC 201转移到电池102的能量基于车辆在该时刻的需求。如果单元被划分以启用降压转换器，对UC 201的再充电可以是脉冲式的，或者可以使用DC转换器203对UC 201再充电。在任一情况下，依赖于某种感兴趣的参数，UC组201上的总电压可以被主动地向上和向下调节，其中参数的特定示例是例如由温度传感器202测量的模块中的温度。这样的实施例可以有效地利用可能被储存在每个单元中的潜在的能量，以及可以延长单元的寿命。
在一些实施例中，当交流发电机105不运行时，模块可以对UC 201再充电。通过转移与车辆传送能量的能力成比例的能量，DC转换器203可以对UC组201再充电。例如，模块100可以不从电池102取出过多能量以致电池102将耗至某下限电位以下(例如，低于9V)。此外，使用布置在主构造和(许多)从构造中的控制器芯片的并联组合，用于对UC 201再充电的电力转移可以是规模可调的，其中每个控制器贡献相当于附加的相的能量，直到达到12相。这样，可以以很少的花费使用250W、500W、750W等充电器。在实现多个相时，一相控制主计时，并且其它“从”相从主相偏移相等的间隔。多个相的使用允许电力转移在时间上分散，这样使峰值电流较小并且更有效的部件较小。
在一些实施例中，可以首先使用车辆的交流发电机105(在图1B和1C中示出)对UC201充电。在一些实施例中，可以通过从车辆的电池102中汲取能量对UC 201充电。对UC 201的再充电可以是自动的并且可以在引擎103运行(即，交流发电机105开启)时发生，或者在车辆没有足够的电力以靠它自己启动的紧急情形期间，该再充电可以在被命令进行时发生。例如，模块100可以在被连接到活动的电池***中时通电并且自动地重置其自身。例如，如果模块100被并联连接到电池***102，在车辆启动时，当模块100从电池102汲取能量时，如最初所意图的，交流发电机105对电池102充电。模块100可以在UC 201与电池102之间平衡电力总线上的电压，直到UC 201达到容量。
在一些实施例中，每个模块100能够在自动和/或手动模式下操作，例如，手动模式经由在图2A中示出的手动接口214。可以将自动模式利用于每天引擎启动的数量大的传送应用和非常短的运输使用，其中它将被用于保持电池总线活动从而在传送停止期间用于宾馆支持。可以利用手动模式启动货车，其中它将被用于利用操作货车的极小的能量使启动器101通电，该极小的能量足以在启动序列期间保持电子器件活动。在一些实施例中，可以通过开关216来控制模块100在手动模式还是在自动模式下，其中当开关216接通时，允许驾驶员经由手动接口214接入模块100。
在自动操作模式下，初始地缓慢释放能量以维持指定的电池总线电压，直到UC组201被耗尽。当总线电压等于UC电压时，两个***实际上从那时开始并联。在自动模式下，实际电池总线电压确定***何时从充电变为中立变为放电。当操作模式为手动时，初始地缓慢释放能量以维持指定的电池总线电压，并且之后当UC电压等于电池总线电压时，两个***实际上并联。在手动模式下，该模块如所指示地感测启动引擎的尝试，例如，通过点火钥匙的转动或仪表面板上的电压计上的电压。另外，这一***就像在自动模式下一样地操作，不同之处在于事件的开端被有意地触发。在手动模式下，UC***不延长启动序列，并且驾驶员如通常一样启动货车。
进一步地，在一些实施例中，在低温(例如，小于0°F)时段期间，UC的每单元电荷可以被调整和提升，并且在极低温(例如，小于-20°F)期间，UC的每单元电荷可以被调整和提升为更高。单元电压的提升可以是动态的和/或自动的，其可以导致UC能量储存能力的增加。此外，一些实施例允许使用脉冲宽度调制(PWM)控制器基于DC总线电压缓慢释放这一能量。可以从板上DC/DC转换器203、交流(AC)钩(hook up)充电，和/或通过在并联连接与串联连接之间智能切换UC组201来充电。
单元充电***具有三个特性，第一是，在可能时，可以使用交流发电机105将UC201再充电达到预定的电压，例如，14.5V。当总线电压高于UC组201两端的电压时，这可以使用FET 220来实现。第二是，在14.5V以上，每个产品可以使用可以在工厂中设置到期望的电压范围(例如，从16.2V到24V)的500W DC/DC转换器203。转换器203可以被设计为升压拓扑或SEPIC拓扑，并且在包括了未来的再启动选项的情况下，转换器203能够在低至9V处工作。第三是，当组上的电压达到它的预定的设置点时，即使当货车在延长的时段内关闭时，转换器203也可以被设计为最小化它的静态电流以保持***整体低耗电，但又具有在任何时间可用于启动的可依赖性。例如，一旦被充电，电流耗电可以近似为每100kJ储存能量1W。
为了减少或最小化自耗，单元平衡可以是箝位(clamping)类型。它可以具有温度补偿设置点，其中温度补偿设置点有一个或多个区别的电平，例如，2.7V、3V和3.3V处的三个电平。在一些实施例中，电压设置点可以被维持在DC***电压调节器230处，例如，DC***电压调节器230可以被设置为匹配各种超级电容器单元电压以用于平衡。在一些情况下，可以由超级电容器201和/或DC***电压调节器230供应平衡，以减少或最小化自耗。在一些实施例中，这一补偿可以自动地发生。在一些实施例中，单元平衡可以与图2A中的控制逻辑器210在相同的印刷电路板组件(PCBA)上。
在本文中讨论的示例性实现和/或本技术的实施例的任何其它实现中，附加的特征可以是可用的。例如，可以包括智能用户接口107(例如，如图1B中示出的经由线缆连接到模块100)以向驾驶员指示UC组201的状态(例如，UC电力电平)。智能用户接口107可以包括指示UC组201的状态的LED状态指示器或“智能”UC燃料量表显示器。它还可以包括给予驾驶员重新进行充电序列的选项的“重做”按钮。进一步地，可以提供到车辆的控制器区域网络总线(CANbus)的连接，用于更好地集成到车辆的***中，在一些情况下，该连接由车辆制造者提供，作为内置显示器的组成部分。
在一些实施例中，模块100中的能量可以被储存在高于总线上的额定电压的电平处，并且之后，不管静负载104，或者甚至在车辆的启动序列期间，该能量可以被如所期望地释放以支持车辆的健康的DC总线电压。在一些实施例中，车辆启动事件可以被视为大的静负载，并且该模块对DC总线的支持可以覆盖车辆启动序列和静负载两者。在这些实施例中，对车辆重布线或者将能量传送到启动器马达101可能变得不必要。模块架构200将储存在UC组201中的电压保持在高于电池总线的电平处，并且依赖于该总线电压由于负载变化的下降，缓慢地释放储存在UC组201中的电压。使用PWM降压转换器将纯DC推到总线，其中N沟道FET 205利用电感器传送电力，其中电感器的大小被调整为适于宾馆或货车电子器件负载，就在此之后，当FET 205完全开启时，它饱和。当PWM 204达到100％开启时，PWM 204将UC组201放置为与电池102并联。环路维持预定的电池总线电压电平，并且其中时间响应率为>10kHz。
在一些实施例中，模块100直接向DC总线传送能量，并且以没有(有意的)滞后的异步方式进行。这样，即使在引擎起动期间，***也可以维持尽可能接近设置点(例如，12.5V)的电压，即使在***的负载在启动循环期间改变到大的倍数(例如，1000倍或更多倍)时。在一些实施例中，再充电可以是多相并且动态的，其中受控的四个象限(quadrant)允许***调整以适应环境、UC的充电状态和***电池。(此处，术语“象限”是指转换器的输入和输出的电流和电压控制。)进一步地，能量转移以可变的量被脉冲化，由此减少从该模块发射的伪(pseudo)电磁干扰(EMI)。在这一点上，模块100与跳频无线电(frequency-hoppingradio)非常像地运行。脉冲可以以固定的重复频率出现或者具有固定的脉冲宽度。
用于对超级电容器再充电的DC转换器
图3A-3C示出了DC转换器303的几个实施例，其中DC转换器303可以被用于模块100中从而在UC组301耗尽时对UC组301再充电。再充电可以在启动循环之间和引擎运行时发生。进一步地，在一些实施例中，可以使用转换器303在模块100已经被安装时对UC组301初始地充电，以及在经过延长的车辆关闭时间后或者在初始的一次或多次尝试之后车辆将不启动时，电池302和UC组301被用尽时，对UC组301再充电。在这样的实施例中，DC转换器303能够控制输入电压切断以使得不毁坏另外的用尽的电池(例如，当它从电池302汲取能量以对UC 301充电时)，能够控制输入电流和输出电流两者从而能够对接近空的UC 301充电，和/或能够控制可变的输出电压设置点从而在温度变化时控制储存在UC组301上的能量。
DC转换器303的可以被用于模块100中的示例性实施例包括增强型(通常断开)N-FET，该N-FET允许对到车辆的DC总线的电力转移的调制。在一些实施例中，DC转换器303可以是双向的，而在其它实施例中它可能不是双向的，而是可以包括通过监控任一侧上的电流调节电力转移的单独的转换器。进一步地，在一些实施例中，模块100中的DC转换器303可以对于在传送侧可以传输多少能量没有限制。此外，它们可以是规模可调的。例如，在引擎启动期间，可以转移能量而没有很多延迟，并且转移的能量可以与UC 301已经储存的能量一样多，从而保持DC总线在某期望电压(例如，12.5V)，这可能实际上导致在启动序列中UC301与电池302并联。
图3A示出耦接到车辆中的常规电池302的示例模块架构300a。该模块包括与DC电压总线串联连接的UC组301，其中DC电压总线电气连接到电池302的正极端子和隔离的DC转换器303a。由于正极通过电感器连接到正极电池端子(BAT+)，实际上改变了它的地电位，DC转换器303a可以被电气隔离。在这些实施例中，对它的输入和输出上的电压和电流的控制可能必须通过隔离的屏障转移。
UC组301的地侧耦接到N-FET 305的集合的漏极侧，其中N-FET 305的集合具有源极，该源极耦接到电池302的负极端子和DC转换器303a。在一些实施例中，N-FET 305的栅极耦接到第一电压比较器306的输出，其中第一电压比较器306具有耦接到DC电压总线的输入。第二电压比较器307具有耦接到DC电压总线的输入和启用或禁用隔离的DC转换器303a的输出。在操作中，第一电压比较器306比较总线电压与设置点电压(例如，12V)，并且每当总线电压降到设置点电压以下时，从UC组301触发脉冲，由此维持总线电压在设置点电压处或设置点电压以上。第二电压比较器307比较总线电压与充电电压(例如，13.5V)，并且每当总线电压降到充电电压以下时，启用DC转换器303a。响应于启用信号，DC转换器303a对UC组301充电。
图3B示出了非隔离的DC转换器303b，其中N-FET 305在高侧，并且DC转换器303b对UC 301的一直维持地连接的“顶部”充电。这允许DC转换器303b不被隔离，在样机制造(prototyping)和生产时期两者中显著减少了它的成本。在一些实施例中，N-FET 305的驱动电路可以使栅极-源极电压Vgate-source为高于源极电压Vsource至少几伏(例如，10V)(并且在一些例子中，Vsource可以是BAT+)。在这样的实施例中，由于BAT+可以处于地以上的9伏与14.5伏之间，这可能造成Vgate-source近似为24伏，这可能导致小的单独的升压电路的使用。在一些实施例中，还可以使用隔离的高侧FET驱动器，该高侧FET驱动器可以将这一电压电平切换到用于并联的N-FET组的高的栅电容，该N-FET组可以被用于在引擎启动期间传送电流。图3B中示出的示例性实施例具有连接和部件较少的优点。
图3C示出了包括两个DC转换器303c和303d的***，其中一个转换器303d被用于对UC组充电或再充电，并且另一个转换器303c被用于将能量传送回DC总线。这些转换器中的每个在其“正常”模式下可以具有触发转换器开启的设置点。例如，为了促成健康的电池，可以选择示例性的12.5V设置点以将能量传送回DC总线，并且选择13.75V设置点以开始再充电循环。由于这些是可调整的，可以不同地确定其它设置点。然而，模块架构300c还监控输入和输出电流。这一特征允许在除了仅在交流发电机105运行时以外的其他时间开始对UC301的再充电，该时间诸如但不限于当电池302太弱而不能实行启动并且UC组301被耗空(诸如在延长的停车期间)时。
图3E和图3D分别示出了隔离的DC转换器303c和303d的一些示例特征的细节。在一些实施例中，这些转换器可以是双向的，并且在其它实施例中，它们可以不是双向的。在图3D-3E中示出的示例中，单独的隔离的转换器通过监控充电输入侧(图3E)和放电输出侧(图3D)上的电流，调节电力转移。
如以上讨论的，在一些实施例中，模块的能量可以被储存在UC 201中，UC 201可以被配置为串联和/或并联配置。与模块100兼容的电池的类型和/或电容的量可以不受约束，并且在多数实施例中，电容器201上的电压可以高于车辆中的电压。升压的方法可以采用常规的升压型转换器，该升压型转换器可以被配置为反激式(flyback)、直接升压式(straight boost)或SEPIC，并且可以是隔离的或非隔离的。转换器可以使用多相方案以最小化峰值切换电流，这转而可以允许较小的更有效的部件、较好的EMI性能和较低的成本。在设置量的电力(例如，250W)的增长中，可以添加更多相，更多相可以增加再充电电力水平并且减少再充电时间。当添加每个相时，它的切换频率可以有意地与第一开关异相。
用于充电和放电的内部超级电容器连接
图4示出的实施例描绘了UC 401中的单元间连接在串联连接与并联连接之间改变以适应仅降压(buck-only)充电，并且放电方案被示出。在一些实施例中，可以通过将UC401分离成相等的单元组401a和401b来对UC 401再充电，其中单元组401a和401b的完全充电总电压小于车辆的***。在一些实施例中，可以通过将UC 401分离成几个组来对UC 401充电，其中每个组含有相同和/或不同数量的UC 401。在这样的实施例中，可以在降压模式下对UC 401再充电，在降压模式中能量被向下脉冲传送到电容器。这样的实施例要求较多固态开关和附加的电流控制。当被充电时，组可以被放回到串联并且准备好用于传送电力。在一些实施例中，串联/并联开关402可以将UC 401分离成具有相等数量的UC 401的两个并联的组401a和401b，其中401a和401b的总电压在车辆的***电压以下，或者串联/并联开关402可以连接UC 401以形成单个UC组，其中该单个UC组的总电压在车辆的***电压以上。在一些实施例中，这可以允许单个降压转换器被用于使UC 401充电和放电。
图5A和5B示出了可以在一些对模块100中的UC 501充电的示例性方法中使用的转换器503。图5A示出单独的并且专用的非隔离的DC转换器503a，在再充电循环期间，DC转换器503a将电压升压到UC 501a。图5B示出将单元堆分离成501b和501c两个(例如，相等的两半，每个含有总数量的一半的单元)，并且之后使用车辆的额定DC总线作为取出能量的点，并联地对每一半降压充电。在一些实施例中，车辆的电压可以高于每个分离单元。在降压模式概念下，可以以受控的方式将能量脉冲传送到每个堆。开关502表示堆被“放在一起”并且之后被“分开”以完成上述的点。一旦被充电到给定的电压，之后，两个堆被放回串联以用于“传送”模式，即能量输出模式。示出的机械开关502表示可以实时发生的“固态”切换。
在一些实施例中，开关502可以由增强型N-FET构成并且当被连接在传送(能量输出)模式下时可以承载适宜的最大电流(例如，达2500A)。在一些实施例中，FET的大小可以被调整以处理可以在10-25A的范围中的充电电流。图5B的切换可以较不昂贵并且可以提供较小的电子器件，并且允许板上电感器在两个方向上的再使用。在一些实施例中，电流模式控制器可以智能地并且在电容器上的电荷状态的多数或全部情况下，监控和限制从车辆的电池流到UC 501b和501c两个堆的均方根(RMS)电流。在一些实施例中，可以使用更多的电容器501和更多的UC的堆(例如，3、4、5等)，其中每个堆可以含有相同和/或不同数量的UC。
在一些实施例中，可以通过将UC 501分离成两个相等的堆501b和501c，利用图5B中示出的DC转换器来降压切换对UC组501的充电，之后当它们被充电并且准备使用时，将它们再组合为串联。将UC 501分离成两个相等的堆可以允许当UC被再组合时，UC的完全充电电压加倍(例如，每个被充电到12.0V，或者被再组合时为24.0V)。如图5B中示出的示例包括四个开关电路502a、502b、502c和502d，其中这些开关中的两个502c和502d可以能够处理引擎启动期间的高电流，并且另外两个502a和502b的大小可以被调整为较小，因为它们被用于使充电电流通过它们。可以使用的开关的示例是N-FET。
在图5B的一些实施例中，几个N-FET可以被用于将电力调制回到DC总线。例如，如果非分离配置(例如，图5A)下的模块100包括十个N-FET，那么分离单元配置(例如，图5B)的N-FET的总数量可以增加到22个N-FET。在这样的实施例中，依赖于电流电平，可以将感应电流感测而非标准电流感测电阻器用于感测高电流。一些实施例可以包括一个或多个电压传感器以测量电感器两端的小的电压降，并且之后创建在它们的值周围的闭环控制。
图6A-6B示出了可以被用于该模块的示例性DC转换器的详细的电路示意图。DC转换器可以是能够传送250W/相并且在输入和输出两者上有四象限电流和电压控制的多相升压转换器。这一***可以具有近似为95％的效率，并且可以是单相的。随着每个相被添加，电力可以成比例地增加。每个后续的相有意地与前面的一相“异相”360°/n，其中n是相的总数量。这减少了峰值电流并且保持小的部件大小。***可以允许较快的再充电率，其中这些相可以按照消费者的要求添加，或者它们可以与该模块要被安装到的车辆的大小成比例。
引擎启动与电池支持模块的操作
图7示出说明引擎启动与电池支持模块100的示例操作过程的流程图。在一些实施例中，DC转换器可以能够控制或设置输入和输出两者的电压和电流的阈值和最大值。当UC701为空时对UC 701充电可能存在一个问题，即它们可能表现得像完全短路，并且DC转换器可能停顿、崩溃或烧毁，除非感测和控制输出电流。设置输出电流限制应该有助于避免或限制这样的并发问题。
在一些实施例中，输出电压设置可以在UC 701上设置期望的电压，并且可以基于温度是可变的，从而增加或最大化电容器的寿命并且在期望时传送适宜的能量，尤其在极冷的环境中。并且，对于避免当交流发电机关闭时，在再充电循环期间DC总线被耗尽时，电池702在它们的安全操作区(例如，在12伏***中为9伏)以下的崩溃，输入电流限制和最小电压可以是有用的。在一些实施例中，这一功能可以是动态的，并且控制可以是成比例的—越多电力可用于再充电，***(例如，转换器703)就可以取出越多电力。例如，在9伏处，由转换器消耗的电力可以是0，并且在13.75伏处，用于单相***的电力可以是250瓦，并且对于其间的任何电压，消耗的电力可以在0瓦与250瓦之间成比例。在一些实施例中，当转换器被禁用时，转换器还可以具有小于25mA的静态电流，这在维持***整体的性能中可以是有用的。
示例引擎启动与电池支持模块
以下非限制性的示例意图强调根据本公开的原理引擎启动与电池支持模块的方面。
示例设备1：单元数量：串联的八个单元；UC单元电容：3000F；总电容：375F；电压：当温度大于约0°F时为21.6V，并且当温度小于约0°F时为24V。
示例设备1可以提供“宾馆负载”支持作为首要功能，第二功能是保留能量用于实际的启动序列。比率近似为10：1，其中宾馆负载支持得到较多能量。***自动地支持来自UC串的电池总线电压，该UC串串联成堆并且依赖于温度被充电到2.7V/单元或3.0V/单元。当单元上的电压等于电池电压时，之后，通过架构的设计将它们放置为并联。这一设备的示例性应用是车辆被用于传送时。
示例设备2：单元数量：两个并联的串，每串有串联的六个单元；UC单元电容：3000F；总电容：1000F；电压：当温度大于约0°F时为16.2V，并且当温度小于约0°F时为18.0V。
示例设备2可以传送能量以起动车辆，同时提供减少的或极小量的能量从而在该过程期间保持车辆电子器件活动。这一设备的示例性应用是车辆被用于电容并且没有辅助电力单元时。
示例设备3：单元数量：三个并联的串，每串有串联的六个单元；UC单元电容：3000F；总电容：1500F；电压：当温度大于约0°F时为16.2V，并且当温度小于约0°F时为18.0V。
示例设备3可以传送能量以起动车辆，同时提供减少的极小量的能量以在该过程期间保持车辆电子器件活动。这一应用支持在车辆启动事件期间为车辆电子器件传送较多能量，尤其是在有多于四个并联的电池的车辆上。这一设备的示例性应用是车辆被用于电容并且有辅助电力单元时。
示例设备4：单元数量：三个并联的串，每串有串联的六个单元；UC单元电容：3000F；总电容：1500F；电压：当温度大于约0°F时为16.2V，当温度小于约0°F时为18.0V，并且当温度小于约-20°F时为19.8V。
示例设备4传送增加的或最大的能量以在极低的温度应用中起动车辆。
结论
虽然本文中描述并且说明了各种发明实施例，但本领域普通技术人员将容易地预想到用于实行功能和/或获得本文中描述的结果和/或一个或多个优点的各种其它装置和/或结构，并且每个这样的变化和/或修改应视为在本文中描述的发明实施例的范围内。更一般地，本领域技术人员将容易地认可，本文中描述的全部参数、尺寸、材料和配置意为示例性的，并且实际的参数、尺寸、材料和/或配置将依赖于一个或多个发明教导所用于的一个或多个特定应用。本领域技术人员将识别或者能够使用不超过常规实验查明本文中描述的特定的发明实施例的许多等同物。因此，应理解前述实施例仅通过示例的方式呈现，并且在所附权利要求及其等同物的范围内；可以与如具体描述和要求保护的不同地实践发明实施例。本公开的发明实施例涉及本文中描述的每个单独的特征、***、物品、材料、配套元件和/或方法。此外，两个或多个这样的特征、***、物品、材料、配套元件和/或方法的任意组合被包括在本公开的发明范围内，如果这样的特征、***、物品、材料、配套元件和/或方法不互相矛盾的话。
可以以多种方式中的任何方式实现以上描述的实施例。例如，可以使用硬件、固件、软件或其组合实现本技术的实施例。当以固件和/或软件实现时，可以在任何合适的处理器或逻辑部件集合上执行固件和/或软件代码，不管代码被提供在单个设备中还是分布在多个设备之中。
在这一点中，各种发明构思可以被体现为编码有一个或多个程序的计算机可读储存介质(或多个计算机可读储存介质)(例如，计算机存储器、一个或多个软盘、压缩盘(compact disc)、光盘(optical disc)、磁带、闪速存储器、现场可编程门阵列中的电路配置或其它半导体设备，或者其它非暂时性介质或有形计算机储存介质)，其中当在一个或多个计算机或其它处理器上执行该程序时，实行实现以上讨论的本发明的各种实施例的方法。一个或多个计算机可读介质可以是可运输的，以使得储存在其上的一个或多个程序可以被加载到一个或多个不同的计算机或其它处理器上，从而实现如以上讨论的本发明的各种方面。
在本文中以一般的意义使用术语“程序”或“软件”，指代任何类型的可以被采用以对计算机或其它处理器编程从而实现如以上讨论的实施例的各种方面的计算机代码或计算机可执行指令的集合。此外，应认可，根据一个方面，一个或多个被执行时实行本发明的方法的计算机程序不需要驻于单个计算机或处理器上，而是可以以模块化方式被分配在多个不同的计算机或处理器之中以实现本发明的各种方面。
计算机可执行指令可以是由一个或多个计算机或其它设备执行的许多形式，诸如程序模块。总体而言，程序模块包括实行特定的任务或者实现特定的抽象数据类型的例程、程序、对象、部分、数据结构等。典型地，可以如各种实施例中所期望地组合或分配程序模块的功能。
此外，数据结构可以以任何合适的形式被储存在计算机可读介质中。为了说明的简单性，数据结构可以被示出为具有通过数据结构中的位置相联系的字段。这样的联系可以同样通过为字段分配储存来实现，其中字段具有计算机可读介质中的传递字段之间的联系的位置。然而，可以使用任何合适的机构建立数据结构的字段中的信息之间的联系，该合适的机构包括通过使用指针、标签或其它建立数据元素之间的联系的机构。
此外，各种发明构思可以被体现为一个或多个已经提供了示例的方法。可以以任何合适的方式对作为方法的一部分被实行的行为排序。相应地，可以构造其中以与所说明的不同的顺序实行行为的实施例，该实施例可以包括同时实行一些行为，即使该行动在说明性实施例中被示出为按顺序的行为。
如本文中定义和使用的，全部定义应被理解为控制在字典定义、通过引用并入的文献中的定义和/或所定义的术语的一般意义上。
如此处在说明书和权利要求中使用的，除非有明确的相反指示，不确定的物品“一”和“一个”应被理解为意味着“至少一个”。
如此处在说明书和权利要求中使用的短语“和/或”应被理解为意味着如此联结的元素的“任一或两者”，即，元素在一些情况下联合地存在，并且在其它情况下分离地存在。与“和/或”一起列举的多个元素应以相同的方式解释，即，如此联结的元素的“一个或多个”。除了由“和/或”项具体指明的元素，可以可选地存在其它元素，不管该元素与那些具体指明的元素有联系还是无联系。这样，作为非限制性的示例，当与开放式语言(诸如“包括”)联合使用时，对“A和/或B”的引用可以在一个实施例中仅指代A(可选地包括除B以外的元素)；在另一个实施例中，该引用可以仅指代B(可选地包括除A以外的元素)；在又一个实施例中，该引用可以指代A和B两者(可选地包括其它元素)；等。
如此处在说明书和权利要求中使用的，“或”应被理解为与如以上定义的“和/或”具有相同的意义。例如，当分隔列举中的项时，“或”或者“和/或”应被解释为包括性的，即，包括多个元素或列举中的元素中的至少一个，但还包括多于一个，并且可选地包括附加的未列举的项。仅当术语被明确地相反指示(诸如“其中的仅一个”或“其中的恰好一个”)或者被用于权利要求中时，“由……构成”将指代包括多个元素或列举的元素中的恰好一个元素。总体而言，当其前面有排他性术语(诸如“任一”、“其一”、“仅其一”或“恰好其一”)时，如本文中使用的术语“或”应仅被解释为指示排他的选择(即，“一个或另一个但非两者”)。当被用于权利要求中时，“基本上由……构成”应具有其一般意义，如在专利法领域中所使用的。
如此处在说明书和权利要求中使用的，指代一个或多个元素的列举的短语“至少一个”应被理解为意味着从元素的列举中的任何一个或多个元素中选择的至少一个元素，但不必然包括在元素的列举中具体列举的每一和每个元素中的至少一个，并且不排除元素的列举中的元素的任何组合。这一定义还允许可以可选地存在除了在短语“至少一个”所指代的元素的列举中具体指明的元素之外的元素，不管该元素与那些具体指明的元素有联系还是无联系。这样，作为非限制性的示例，在一个实施例中，“A和B的至少一个”(或等同地，“A或B的至少一个”，或等同地，“A和/或B的至少一个”)可以指代至少一个(可选地包括多于一个)A而不存在B(并且可选地包括除B以外的元素)；在另一个实施例中，该引用可以指代至少一个(可选地包括多于一个)B而不存在A(并且可选地包括除A以外的元素)；在又一个实施例中，该引用可以指代至少一个(可选地包括多于一个)A和至少一个(可选地包括多于一个)B(并且可选地包括其它元素)；等。
在权利要求以及以上说明书中，全部过渡短语，诸如“包含”、“包括”、“携带”、“具有”、“含有”、“涉及”、“容纳”、“组成有”等应被理解为开放式的，即意味着包括但不限于。仅过渡短语“由……构成”和“基本上由……构成”应分别是封闭式或半封闭式的过渡短语，如在美国专利局专利审查程序手册(the United States Patent Office Manual of PatentExamining Procedures)的2111.03节中阐述的。

Claims (16)

1.一种用于调节车辆中的车辆电池的电压电平的方法，所述方法包括：
确定所述电压电平是否在预定的电压阈值以下；
如果所述电压电平在所述预定的电压阈值以下，则开始与所述车辆电池电气通信的至少一个超级电容器的放电以将能量转移到电池；
调制所述至少一个超级电容器的所述放电，以使得将所述电压电平至少提升到所述预定的电压阈值；以及
当车辆交流发电机关闭时，从所述车辆电池向所述至少一个超级电容器转移能量，其中在确定所述车辆电池的所述电压电平超过再充电电压阈值之后开始能量的所述转移。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述预定的电压阈值基于车辆电池年龄、车辆年龄、车辆电池状况、车辆电池量、车辆电池类型、车辆启动器类型、启动器年龄和所述车辆电池的温度中的至少一个确定。
3.根据权利要求1所述的方法，其中调制所述至少一个超级电容器的所述放电包括控制流过与所述至少一个超级电容器电气通信的至少一个晶体管的电流。
4.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
当所述电压电平小于启动所述车辆所要求的电压电平时，从所述车辆电池向所述至少一个超级电容器转移能量。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个超级电容器包括多个超级电容器，并且所述方法进一步包括：
将所述多个超级电容器在用于充电的并联配置与用于放电的串联配置之间切换。
6.一种用于调节车辆电池的电压电平的装置，所述装置包括：
串联连接并且被配置为储存电荷的多个超级电容器；
与所述车辆电池和所述多个超级电容器电气通信的至少一个电压比较器，所述至少一个电压比较器被配置为实行所述电压电平与预定的电压阈值的比较；以及
与所述至少一个电压比较器和所述多个超级电容器电气通信的控制逻辑器，所述控制逻辑器用以基于所述比较来调制所述多个超级电容器的放电以将能量转移到电池，从而将所述车辆电池的所述电压电平至少提升到所述预定的电压阈值，
与所述多个超级电容器和所述至少一个电压比较器电气通信的直流DC转换器，所述DC转换器用以响应于所述电压电平与再充电电压阈值的比较，对所述多个超级电容器充电，
其中，所述装置被配置为当车辆交流发电机关闭时，从所述车辆电池向所述多个超级电容器转移能量，其中在确定所述电压电平超过再充电电压阈值之后开始将能量转移回到所述多个超级电容器。
7.根据权利要求6所述的装置，其中所述控制逻辑器包括与所述多个超级电容器电气通信的至少一个晶体管，以控制流入和/或流出所述多个超级电容器的电流。
8.根据权利要求7所述的装置，其中所述至少一个电压比较器与所述至少一个晶体管的栅极电气通信，以控制流入和/或流出所述多个超级电容器的电流。
9.根据权利要求7所述的装置，其中所述至少一个电压比较器包括：
与所述DC转换器电气通信的第一电压比较器，如果所述电压电平超过所述再充电电压阈值，则所述第一电压比较器启用所述DC转换器；以及
与所述控制逻辑器电气通信的第二电压比较器，所述第二电压比较器用以实行所述电压电平与所述预定的电压阈值的比较。
10.根据权利要求9所述的装置，其中所述DC转换器被配置为响应于来自所述电压比较器的指示所述电压电平在所述再充电电压阈值以上的输出，将电荷从所述车辆电池转移到所述多个超级电容器。
11.根据权利要求9所述的装置，进一步包括：
可操作地耦接到所述DC转换器的温度传感器，所述温度传感器用以监控所述车辆电池的温度。
12.根据权利要求11所述的装置，其中所述DC转换器被配置为基于所述车辆电池的所述温度，改变所述预定的电压阈值和/或所述再充电电压阈值。
13.根据权利要求10所述的装置，其中所述DC转换器被进一步配置为响应于来自所述至少一个电压比较器的输出，将能量传送到所述车辆的车辆总线。
14.根据权利要求6所述的装置，进一步包括：
与所述多个超级电容器电气通信的开关，所述开关将所述多个超级电容器在串联配置与并联配置之间切换。
15.根据权利要求6所述的装置，进一步包括：
可操作地耦接到所述控制逻辑器的手动接口，所述手动接口用以使所述车辆的驾驶员能接入所述装置。
16.一种用于调节车辆电池的电压电平的装置，所述装置包括：
多个超级电容器；
与所述车辆电池电气通信的第一电压比较器，所述第一电压比较器用以比较所述电压电平与第一电压阈值；
与所述第一电压比较器和所述多个超级电容器电气通信的控制逻辑器，如果所述电压电平在所述第一电压阈值以下，则所述控制逻辑器使所述多个超级电容器放电以将能量转移到电池；
与所述车辆电池电气通信的第二电压比较器，所述第二电压比较器用以比较所述电压电平与第二电压阈值；
与所述第二电压比较器和所述多个超级电容器电气通信的控制逻辑器，如果所述电压电平在所述第二电压阈值以上，则所述控制逻辑器使所述多个超级电容器放电；
与所述多个超级电容器和所述第二电压比较器电气通信的直流DC转换器，如果所述电压电平在所述第二电压阈值以下，则所述DC转换器对所述多个超级电容器充电；以及
可操作地耦接到所述DC转换器的温度传感器，所述温度传感器用以监控所述车辆电池的温度，
其中所述DC转换器被配置为基于所述车辆电池的所述温度，改变所述第一电压阈值和/或所述第二电压阈值。
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