DE102009029849A1

DE102009029849A1 - System und Verfahren zum Anlassen einer Maschine

Info

Publication number: DE102009029849A1
Application number: DE102009029849A
Authority: DE
Inventors: Michael G. Troy Reynolds
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-06-25
Filing date: 2009-06-22
Publication date: 2010-02-04
Anticipated expiration: 2029-06-23
Also published as: US7963264B2; CN101614177A; CN101614177B; US20090322101A1; DE102009029849B4

Abstract

Ein Fahrzeug weist eine Maschine, einen Startermotor, ein Energiespeichersystem (ESS) zur Versorgung eines Hilfssystems mit Leistung und ein Superkondensatormodul auf, um den Startermotor während einem Anlassen und Starten der Maschine mit Leistung zu versorgen. Das Superkondensatormodul wird zum Wiederaufladen von dem Startermotor getrennt. Ein DC/DC-Aufwärtswandler erhöht das von dem ESS gelieferte Spannungsniveau, um das Superkondensatormodul auf ein relativ höheres Spannungsniveau aufzuladen, wie etwa 125 bis 140 Prozent des Spannungsniveaus, das von dem ESS geliefert wird. Ein Verfahren zum Verhindern des Absackens einer Spannung in einem Hilfssystem des Fahrzeugs umfasst, dass das Superkondensatormodul von dem Startermotor getrennt wird, wenn die Maschine läuft, und dass dann das Superkondensatormodul unter Verwendung des ESS aufgeladen wird, bis eine Anlassunterstützungsspannung einer gespeicherten Zielspannung gleicht. Ein detektiertes befohlenes Anlassen und Starten der Maschine bewirkt die Verbindung des Superkondensatormoduls mit dem Startermotor.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zum Anlassen und Starten einer Maschine in einem Fahrzeug.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Maschine eines herkömmlichen leichten Nutzfahrzeugs wird typischerweise zu Beginn einer Fahrt gestartet und bleibt während der Dauer oder der Länge der Fahrt aktiv. Das Maschinenstartereignis entnimmt eine wesentliche Menge elektrischer Energie oder Leistung über eine relativ kurze Zeitspanne, die von etwa 0,3 Sekunden für eine warme Maschine bis zu über 2 Sekunden für eine sehr kalte Maschine reicht. Allgemein wird zum Starten der Maschine ein Gleichstromelektromotor (DC-Elektromotor) verwendet, der von einer einzelnen 12-Volt-Batterie mit Leistung versorgt wird. Ein derartiger Motor entnimmt bei seiner Stillstandsdrehzahl eine maximale Menge an elektrischem Strom, wobei der elektrische Strom abnimmt, wenn die Drehzahl des Motors zunimmt. Während des anfänglichen Abschnitts des Startereignisses liefert eine typische 12-Volt-Batterie einen maximalen Strom und eine minimale Spannung.
Bevor die Maschine eines herkömmlichen Fahrzeugs gestartet wird, werden die elektrischen Hilfslasten in dem Fahrzeug von der 12-Volt-Batterie mit Leistung versorgt. Folglich unterliegen alle Hilfslasten während des anfänglichen Abschnitts des Maschinenstartereignisses einer verringerten Spannungsversorgung. In einigen Fällen kann diese transiente Span nungsverringerung oder dieses Absacken der Spannung eine möglicherweise wahrnehmbare oder erkennbare Veränderung beim Verhalten der Hilfslasten verursachen, etwa eine Abnahme der Lichtintensität einer Glühlampenbeleuchtung. Sobald die Maschine startet, erzeugt der maschinengetriebene Generator die notwendige elektrische Leistung zum Versorgen der Hilfslasten mit Energie, und er kann auch die 12-Volt-Batterie wieder aufladen.
Ein Verfahren zum Verringern des Kraftstoffverbrauchs bei einem herkömmlichen Fahrzeug besteht darin, die Kraftstoffzufuhr an die Maschine immer dann abzusperren, wenn die Maschine zur Bereitstellung von Antriebsleistung nicht benötigt wird. Dieses Verfahren erfordert während einer gegebenen Fahrt jedoch wiederholte Maschinenneustarts, etwa jedes Mal, wenn das Fahrzeug zwischen Endpunkten der Fahrt bei einem Stopplicht steht. Zudem wird die von dem maschinengetriebenen Generator an die Hilfslasten gelieferte Leistung auf Null verringert, wenn die Maschine ausgeschaltet ist. Die zum Versorgen der Hilfslasten mit Leistung benötigte Leistung wird von der 12-Volt-Batterie oder einer anderen Leistungsquelle geliefert, sofern das Fahrzeug entsprechend ausgestattet ist.
Bei einigen Fahrzeugen wird die zum Neustarten der Maschine benötigte elektrische Leistung von einer zweiten Batterie bereitgestellt, die einen alternativen Startermotor mit Leistung versorgt. Beispielsweise verwendet ein riemengetriebener Lichtmaschinen/Starter einen kombinierten Starter/Generator als eine sekundäre Maschinenstarteinrichtung anstelle eines herkömmlichen maschinengetriebenen Generators. Durch die Verwendung separater Batterien zur Bereitstellung elektrischer Leistung für die Hilfslasten und die sekundäre Maschinenstarteinrichtung wird die elektrische Spannung, die an die Hilfslasten geliefert wird, während des Maschinenstartereignisses allgemein nicht beeinflusst, was jegliche für den Kunden wahrnehmbare Veränderungen beim Verhalten des Hilfssystems allgemein minimiert. Doppelte Batterien tragen jedoch wesentliches Gewicht bei, während sie wertvollen Einbauraum in dem Fahrzeug verbrauchen.
Bei anderen Leichtlastsystemen werden immer eine einzige Fahrzeugbatterie und eine einzige Starteinrichtung verwendet, um die Maschine zu starten. Der Generator ist im Vergleich zu demjenigen eines herkömmlichen Fahrzeugs nicht verändert. Eine als DC/DC-Wandler bekannte elektronische Einrichtung entnimmt von der Batterie bereitgestellte elektrische Leistung unabhängig von der Batteriespannung und erzeugt eine stabile DC-Ausgangsspannung, die an spezielle Hilfslasten geliefert wird, welche andernfalls während einer transienten Spannungsschwankung während des Maschinenstartereignisses eine Verhaltensänderung zeigen könnten.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Entsprechend wird ein Fahrzeug bereitgestellt, das eine Maschine, einen Startermotor, ein Energiespeichersystem (ESS) und ein Superkondensatormodul aufweist. Wenn die Maschine gestoppt ist, versorgt das ESS ein fahrzeugeigenes Hilfssystem, etwa einen oder mehrere Scheibenwischersätze und/oder Innen-/Außenbeleuchtungen, exklusiv mit Leistung, aber das ESS selbst versorgt den Startermotor während eines Maschinenanlass- und Startereignisses nicht exklusiv mit Leistung. Stattdessen wird der Startermotor anfänglich zumindest hauptsächlich und möglicherweise exklusiv unter Verwendung des Superkondensatormoduls mit Leistung versorgt. Nachdem die anfängliche Leistung für den Startermotor aus dem Superkondensatormodul entnommen wurde, kann der Startermotor mit dem ESS verbunden werden, wenn es die Umstände rechtfertigen.
Um ein korrektes Aufladen und Wiederaufladen des Superkondensatormoduls zu gewährleisten, wird der Startermotor mit dem Superkondensatormodul nur während eines Startens der Maschine verbunden. Sobald sich die Maschine ohne die Hilfe des Startermotors dreht, wird der Startermotor von dem Superkondensatormodul getrennt. Ein Mittel zum Verbinden und Trennen des Startermotors ist ein elektrischer Schalter oder ein Starter-Solenoid, der bzw. das allgemein ein integraler Bestandteil einer Startermotoranordnung in einem herkömmlichen Fahrzeug ist, obwohl dies nicht notwendig ist. Ein Wiederaufladen des Superkondensatormoduls kann zu anderen Zeiten als während eines aktiven Maschinenstarts bewerkstelligt werden. Das Aufladen des Superkondensatormoduls kann von dem ESS, dem Generator und/oder einer weiteren speziellen Aufladeeinrichtung ausgeführt werden. Im Fall, dass das Superkondensatormodul und das ESS während des Startens der Maschine beide den Startermotor mit Leistung versorgen, gibt es kurze Zeitspannen mit geringem Strombedarf durch den Startermotor, während denen das ESS zeitweise eine auf eine kurze Zeit begrenzte oder teilweise Wiederaufladung des Superkondensatormoduls bereitstellen kann.
Eine Art von DC/DC-Wandler ist ein Aufwärtswandler. Diese Einrichtung kann verwendet werden, um das Spannungsniveau, das von dem ESS oder von dem Generator beim Aufladen an das Superkondensatormodul geliefert wird, zu erhöhen, um damit in dem Superkondensatormodul einen relativ höheren Spannungspegel zu speichern als es andernfalls ohne die Verwendung eines derartigen Wandlers möglich wäre.
Bei einem Umfeld mit ausreichend kalter Umgebungstemperatur ist die zum Starten einer Maschine benötigte Leistung wesentlich größer als die Leistung, die bei einem warmen Umfeld benötigt wird. Es ist möglich, dass Energie aus dem Superkondensatormodul so schnell entnommen wird, dass die Spannung des Superkondensatormoduls deutlich abfällt, möglicherweise unter diejenige des ESS, bevor die Maschine gestartet ist. Bei diesem Zustand kann das Superkondensatormodul unter Verwendung eines Schützes oder eines Schalters zu dem ESS parallel geschaltet werden, wenn die in dem Kondensator gespeicherte Spannung während des fortgesetzten Anlassens unter einen Schwellenwert fällt. Bei einer Ausführungsform kann das Superkondensatormodul auf etwa 125 bis 140 Prozent des Spannungsniveaus des ESS aufgeladen sein. Bei einer weiteren Ausführungsform ist das ESS eine 12-Volt-Batterie und die von dem Superkondensatormodul vor dem Anlassen und Starten der Maschine bereitgestellte Spannung beträgt etwa 15 bis 17 Volt. Allgemein kann der DC/DC-Wandler auf eine Weise gesteuert werden, dass er einen begrenzten Leistungsbetrag an das Superkondensatormodul liefert, und er kann daher während des Anlassens der Maschine betrieben werden oder auch nicht. In Abhängigkeit von der Spannung des ESS, der Spannung des Generators und der Spannung des Superkondensatormoduls sollte der geeignete DC/DC-Wandlertyp verwendet werden.
Ein Verfahren zum Verhindern des Absackens von Spannung in einem Hilfssystem eines Fahrzeugs, das eine Maschine, einen Generator, einen Startermotor, einen DC/DC-Wandler und ein Energiespeichersystem (ESS) aufweist, umfasst, dass ein Superkondensatormodul von dem Startermotor getrennt wird, wenn die Maschine läuft, und dass dann das Superkondensatormodul unter Verwendung des ESS, des Generators und/oder des DC/DC-Wandlers aufgeladen wird, bis eine in dem Superkondensatormodul gespeicherte Anlassunterstützungsspannung einer vorbestimmten Zielspannung gleicht. Wenn die Zielspannung größer als die Spannung des ESS und des Generators ist, dann wird nur der DC/DC-Wandler verwendet, um das Superkondensatormodul über das Spannungsniveau hinaus weiter aufzuladen, das von dem ESS und dem Generator bereitgestellt wird.
Das Verfahren umfasst, dass ein befohlenes Anlassen und Starten der Maschine detektiert wird, welchem nach dem Detektieren die schnelle Verbindung des Moduls mit Startermotor folgt. Der Startermotor wird anfänglich eine vorbestimmte minimale Zeitspanne lang exklusiv von dem Superkondensatormodul mit Energie versorgt. Sollte die Maschine nicht gestartet sein, wenn die vorbestimmte minimale Zeitspanne vergangen ist, dann werden die Spannungen des Superkondensatormoduls und des ESS gemessen und verglichen. Wenn die Spannung des Superkondensatormoduls kleiner als die des ESS ist, dann wird ein Schalter geschlossen, um das Superkondensatormodul und das ESS parallel zu schalten. Zu Zeitpunkten, bei denen der Startermotor exklusiv von dem Superkondensatormodul mit Leistung versorgt wird, wird das Hilfssystem nur von dem ESS mit Leistung versorgt. Zu Zeitpunkten, bei denen sowohl das Superkondensatormodul als auch das ESS zum Versorgen des Startermotors mit Leistung verwendet werden, liefern sie beide Leistung an das Hilfssystem.
Die vorstehenden Merkmale und Vorteile und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen leicht aus der folgenden genauen Beschreibung der besten Arten zum Ausführen der Erfindung hervor, wenn diese in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Veranschaulichung eines Hybridfahrzeugs mit einem Superkondensatormodul und einem Steuerungsverfahren gemäß der Erfindung;
2 ist eine schematische Veranschaulichung eines Satzes beispielhafter Hilfssysteme, die mit dem Fahrzeug von 1 verwendet werden können;
3 ist ein Schaltplan für ein elektrisches System des Fahrzeugs von 1 gemäß einer Ausführungsform; und
4 ist ein Flussablaufplan, der eine Ausführungsform des Steuerungsverfahrens beschreibt, das mit dem Fahrzeug von 1 verwendet werden kann.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Mit Bezug auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Komponenten bezeichnen und mit 1 beginnend, umfasst ein Fahrzeug 10 eine Maschine (E) 12, welche mit einem (nicht gezeigten) Getriebe zum Vorantreiben des Fahrzeugs 10 antreibend verbunden ist. Das Fahrzeug 10 umfasst ein elektrisches System 50, bei dem die Maschine 12 mit einem Startermotor (M) 41, etwa einem herkömmlichen DC-Motor des in der Technik bekannten Typs, elektrisch verbunden ist. Der Motor 41 ist mit einem ersten Schalter (Sw1) 32 elektrisch verbunden, welcher in Ansprechen auf ein Steuerungssignal 91, das von einer elektronischen Steuerungseinheit oder einem Controller (C) 24 veranlasst oder angelegt wird, elektrische Leistung an den Motor 41 anlegt oder von diesem weg nimmt. Der erste Schalter 32 kann entweder separat von dem oder ein integraler Bestandteil des Motors 41 sein. Wenn der erste Schalter 32 in den Motor 41 eingebaut ist, kann er zum Ausführen zusätzlicher Aufgaben in Ansprechen auf das gleiche Steuerungssignal 91 oder zusätzliche Signale, die von dem Controller 24 veranlasst oder angelegt werden, in der Lage sein oder auch nicht.
Das elektrische System 50 umfasst ferner ein Energiespeichersystem (ESS) 13, welches als eine wiederaufladbare Batterieeinrichtung oder eine andere geeignete Energiespeichereinrichtung ausgestaltet sein kann. Das ESS 13 ist zum Versorgen eines oder mehrerer Hilfssysteme (AUX) 40 und von Sensoren 19a, 19b mit Leistung oder Energie ausgestaltet, wie nachstehend mit Bezug auf 2 beschrieben ist. Das ESS 13 kann unter Verwendung von Energie, die von mindestens einem Generator (G) 14 geliefert wird, direkt wieder aufgeladen werden. Die elektrische Verbindung zum Zweck der Lieferung von Leistung zwischen Komponenten, etwa von dem ESS und den Hilfssystemen 40, erfolgt über eine geeignete elektrische Verbindung 23.
In dem System 50 ist das ESS 13 über einen DC/DC-Wandler 22 des in der Technik bekannten Typs mit einem Superkondensatormodul (SCM) 65 elektrisch verbunden. Beispielhafte Ausführungsformen sowohl des Moduls 65 als auch des DC/DC-Wandlers 22 sind nachstehend mit Bezug auf 3 und 4 beschrieben. Das ESS 13 ist auch mit dem Generator 14 elektrisch verbunden. Somit versorgt das ESS 13 die Hilfssysteme 40, die Sensoren 19a, 19b und den DC/DC-Wandler 22 immer dann, wenn der Generator 14 nicht genügend elektrische Leistung liefern kann, etwa wenn die Maschine 12 gestoppt ist, direkt mit Leistung.
Wenn die Maschine 12 läuft oder in Betrieb ist, können das ESS 13 und der Generator 14 jeweils Leistung an die Hilfssysteme 40 und den DC/DC-Wandler 22 bereitstellen oder der Generator 14 kann Leistung exklusiv für die Hilfssysteme 40 bereitstellen. Wenn der Generator 14 die Hilfssysteme 40 und den DC/DC-Wandler 22 exklusiv mit Leistung ver sorgt, kann der Generator 14 auch zum Wiederaufladen des ESS 13 verwendet werden. Bei einer Ausführungsform ist ein zweiter elektrischer Schalter (Sw2) 60 elektrisch parallel zu dem DC/DC-Wandler 22 geschaltet. Dieser zweite Schalter 60 kann von dem gleichen allgemeinen Typ wie der erste Schalter 32 sein und wird von einem Steuerungssignal 90, das von dem Controller 24 veranlasst oder angelegt wird, elektrisch so gesteuert, dass er entweder offen oder geschlossen ist.
Der Controller 24 umfasst einen Anlassunterstützungsalgorithmus 100 und steht in elektrischer Kommunikation mit dem ersten und zweiten Schalter 32 bzw. 60, dem DC/DC-Wandler 22, der Maschine 12 über die Hilfssysteme 40, dem ESS 13 und dem Modul 65. Der Controller 24 kann auch so programmiert und/oder ausgestaltet sein, dass er ein Hybridsteuerungsmodul, ein Maschinensteuerungsmodul, ein Getriebesteuerungsmodul, ein Motor/Generator-Steuerungsmodul und/oder beliebige notwendige elektronische Treiber- oder Leistungselektronikschaltungen sowie den Algorithmus 100 umfasst, der nachstehend beschrieben und in 4 gezeigt ist.
Während der anfänglichen Zeitspanne des Anlassens und Startens der Maschine 12 veranlasst der Controller 24 das Signal 91, um den ersten Schalter 32 zu schließen, und er veranlasst das Signal 90 nicht, um den zweiten Schalter 60 zu schließen, wodurch der zweite Schalter 60 in einem offenen Status oder Zustand gelassen wird. Der Controller 24 kann ein Signal 92 an den DC/DC-Wandler 22 veranlassen oder auch nicht, um bei einem beliebigen gewählten Niveau selektiv Leistung von dem ESS 13 an das Modul 65 zu liefern. Während der anfänglichen Anlasszeitspanne wird Energie exklusiv aus dem Modul 65 entnommen, wenn der DC/DC-Wandler 22 in einem ”ausgeschalteten” Status oder Zustand gelassen wird. Während der anfänglichen Anlasszeitspanne wird Energie bevorzugt aus dem Modul 65 entnommen, wenn der DC/DC-Wandler 22 in einen ”eingeschalteten” Status gesteuert ist und wenn der DC/DC-Wandler 22 weniger als die Hälfte der Leistung bereitstellt, die der Motor 41 benötigt.
Die Kennlinien eines DC-Motors, der geeignet ausgelegt ist, um eine Fahrzeugmaschine, etwa die Maschine 12, anzulassen, sind allgemein derart, dass eine Unterstützungsspannung (V₂) des Moduls 65 während des anfänglichen Abschnitts des Anlassereignisses tiefer als eine Hilfsspannung (V₁) des ESS 13 abgesenkt wird. Sobald der anfängliche Abschnitt des Anlassereignisses beendet ist und sich die Maschine 12 mit einer Durchschnittsdrehzahl dreht, die nicht länger allgemein ansteigt, kann die Unterstützungsspannung V₂ des Moduls 65 größer, gleich oder kleiner als die Hilfsspannung V₁ des ESS 13 sein. Wenn das Modul 65 eine ausreichend große Größe aufweist und wenn ein Anlass- und Startereignis eine ausreichend kurze Zeitspanne aufweist, wird die gesamte oder ein Großteil der Leistung, die von dem Motor 41 genutzt wird, von dem Modul 65 stammen. In diesem Fall wird die Unterstützungsspannung V₂ des Moduls 65 merklich verringert, während die Hilfsspannung V₁ des ESS 13 nur marginal verringert wird, wenn überhaupt.
Bei einer Ausführungsform, bei welcher der DC/DC-Wandler 22 ein Wandler vom Aufwärtstyp oder vom Abwärts/Aufwärtstyp mit einer geeigneten Konfiguration ist, die in der Technik allgemein wohlbekannt ist, kann die Unterstützungsspannung V₂ des Moduls 65 vor dem Anlassen und Starten der Maschine 12 über der Hilfsspannung V₁ liegen. Während späterer Abschnitte des Anlassereignisses und nach dem Anlassereignis kann die Unterstützungsspannung V₂ kleiner als die Hilfsspannung V₁ sein. Im Idealfall versorgt die Unterstützungsspannung V₂ den Motor 41 über die Dauer oder das Intervall, die bzw. das zum vollständigen Starten der Maschine 12 während derartiger normaler oder warmer Anlassbedin gungen benötigt wird, exklusiv mit Leistung oder Energie. Wie nachstehend erläutert wird, kann die Hilfsspannung V₁ jedoch unter gewissen Umständen bei Bedarf verwendet werden, um die Unterstützungsspannung V₂ zu unterstützen.
Wenn der Controller 24 ermittelt, dass das Anlassen und Starten der Maschine 12 abgeschlossen ist, öffnet der Controller 24 den ersten Schalter 32. Sobald der erste Schalter 32 offen ist, ist es dem DC/DC-Wandler 22 möglich, das Modul 65 wieder auf ein ausreichend hohes Spannungsniveau aufzuladen, d. h. eine oder mehrere darin enthaltene Superkondensatorzellen. Dieses Niveau wird nachstehend hier als das Zielspannungsniveau (V_T) bezeichnet und ist nachstehend mit Bezug auf 4 beschrieben. Ein Sensor oder Sensoren 19B, etwa ein Analog/Digital-Umsetzer, zusammen mit geeigneten Signalaufbereitungsschaltkreisen können in elektrische Kommunikation mit dem Controller 24, dem ESS 13 und/oder dem Modul 65 gestellt sein, um dadurch die jeweiligen Hilfs- und Unterstützungsspannungen V₁ und V₂ zu messen und um diese Messwerte oder Werte an den Controller 24 zu übertragen oder diesem anderweitig zu melden, sodass sie von dem darin enthaltenen Algorithmus 100 verwendet werden können und/oder für diesen zugänglich sind.
Umgebungsbedingungen können so sein, dass die Umgebungstemperatur und die Temperatur der Maschine 12 extrem kalt sein können. Allgemein kann die zum Starten einer kalten Maschine benötigte Zeit viel länger sein, als wenn die Maschine warm ist. Gleichermaßen ist die von einem Motor benötigte Energiemenge oder das benötigte Energieniveau zum Anlassen einer kalten Maschine viel größer als die zum Starten einer warmen Maschine benötigte Energiemenge oder das dazu benötigte Energieniveau. In diesen Situationen kann es sein, dass das Modul 65 nicht genügend Energie speichern kann, um einen erfolgreichen Maschinenstart sicherzustellen.
Daher wird eine Vorkehrung getroffen, um es dem ESS 13 zu ermöglichen, Energie zum Starten der Maschine 12 zu liefern, sobald das Energieniveau des Moduls 65 ausreichend entleert ist. Wenn es die Umstände zulassen, etwa wenn Außentemperaturen und Maschineninnentemperaturen unter die vorbestimmte Schwellenwerttemperatur fallen, was durch Erfassen oder Messen der Außentemperatur und/oder der Temperatur eines (nicht gezeigten) Maschinenkühlmittels unter Verwendung des Sensors oder der Sensoren 19A direkt ermittelt werden kann, wird der zweite Schalter 60 von dem Controller 24 geschlossen, um das ESS 13 elektrisch parallel zu dem Modul 65 zu schalten, um zu ermöglichen, dass die relativ stabile Hilfsspannung V₁ von dem ESS 13 die Maschine 12 mit einer maximal möglichen Drehzahl anlässt. Sobald die Maschine 12 gestartet ist, kann der zweite Schalter 60 wieder geöffnet werden.
Mit Bezug auf 2 umfassen die Hilfssysteme 40 von 1 ein oder mehrere elektrisch angetriebene Fahrzeugsysteme, die von dem ESS 13 (siehe 1) mit Leistung versorgt werden. Derartige Einrichtungen können beispielsweise eine Fahrzeugaußenbeleuchtung, etwa die Frontscheinwerfer (HL) 42, Scheibenwischer der Windschutzscheibe oder des Heckfensters (W) 44 und/oder Innenleuchten (L) 46 umfassen, sind aber nicht darauf beschrankt. Beleuchtungseinrichtungen wie etwa die Frontscheinwerfer 42 und die Innenleuchten 46 können in Ansprechen auf einen transienten Abfall der Versorgungsspannung, der beim Anlassen und Starten der Maschine auftritt, dunkler werden, oder die Scheibenwischer 44 können pausieren oder ihre Geschwindigkeiten auf wahrnehmbare Weise verändern. Daher sollten die speziellen Systeme, welche die Hilfssysteme 40 bei einer gegebenen Anwendung umfassen, die meisten oder alle Fahrzeugsysteme umfassen, von denen bekannt ist, dass sie auf ein transientes Spannungsabsacken besonders empfindlich reagieren.
Mit Bezug auf 3 umfasst eine Ausführungsform des Systems 50 von 1 eine Konfiguration, bei der das ESS 13 mit dem Generator 14 und mit einer elektrischen Last verbunden ist, welche in 1 durch die Hilfssysteme 40 dargestellt ist. Die Hilfssysteme 40 können nach Bedarf über ein Relais, ein Schütz oder einen Schalter 89 selektiv eingeschaltet oder ausgeschaltet werden, wie durch den Doppelpfeil B angezeigt ist. Der Motor 41 kann mit dem Modul 65 über den ersten Schalter 32 selektiv verbunden werden, wie durch den Doppelpfeil A angezeigt ist, wobei der Zeitpunkt der Betätigung des ersten Schalters 32 von dem Algorithmus 100 des Controllers 24 (siehe 1) bestimmt und gesteuert wird.
In dem Modul 65 liefern eine oder mehrere Superkondensatorzellen die erforderliche Unterstützungsspannung V₂ auf schnelle Weise an den Motor 41, um die Maschine 12 (siehe 1) unter normalen oder warmen Anlassbedingungen, wie vorstehend beschrieben ist, ohne aktive Unterstützung oder Spannungsbeteiligung von dem ESS 13 vollständig anzulassen und zu starten. Bei kalten Anlassbedingungen, die geringer als eine vorbestimmte Schwellenwerttemperatur sind, kann die Hilfsspannung V₁ von dem ESS 13 das Modul 65 zum Optimieren der Anlassdrehzahl der Maschine 12 (siehe 1) unterstützen. Das heißt, dass der zweite Schalter 60 geschlossen wird, wenn die Außentemperatur geringer als eine gespeicherte Schwellenwerttemperatur ist, oder alternativ, wenn eine Maschinenzielanlassdrehzahl innerhalb einer vorbestimmten Zeitspanne nicht erreicht ist, oder alternativ, wenn die Unterstützungsspannung V₂ des Moduls 65 um eine vorbestimmte Spannungsgröße kleiner als die Hilfsspannung V₁ von dem ESS 13 ist, sodass das ESS 13 den Anlass- und Startprozess unterstützen kann.
Bei der Verwendung hierin, und wie der Fachmann versteht, ist ein Kondensator eine elektronische Einrichtung mit einem Paar leitfähiger Platten, welche wiederum durch eine dielektrische Substanz oder einen dielektrischen Werkstoff getrennt oder beabstandet sind, etwa Glas, Keramik, Zellulose, Fluorkohlenstoff, Luft, oder einen anderen geeigneten dielektrischen Werkstoff. Der Begriff ”Superkondensator” bezeichnet insbesondere einen spezialisierten Kondensator mit einem hohen relativen Größenwert an Kapazität, die als die Größe einer gespeicherten Ladung pro Volt, d. h. Farad, definiert ist. Ein Superkondensator kann sich von einem Standardkondensator auf mehrere Weisen unterscheiden, einschließlich seiner Verwendung spezieller Elektroden- oder Plattentypen.
Zum Beispiel können die Elektroden eines Superkondensators ein Metalloxid, verschiedene leitfähige Polymere oder ein Aktivkohlematerial mit großer Oberfläche umfassen, um eine ausreichende Gesamtkapazität bereitzustellen. Bei der beispielhaften Ausführungsform von 3 beträgt die Gesamtkapazität, die von dem einen oder den mehreren Superkondensatoren in dem Modul 65 bereitgestellt wird, etwa 110 Farad, wenn ein 12-Volt-ESS 13 verwendet wird, mit einer maximalen Zielspannung (V_T) von etwa 16,2 Volt. Jedoch können in Abhängigkeit von der Sollanlasszeit (t_c) (siehe 4) auch andere Kapazitätswerte und Zielspannungen im Umfang der Erfindung verwendet werden, wie der Fachmann versteht, etwa indem eine beliebige Anzahl von Superkondensatorzellen, welche in dem Modul 65 in Reihe geschaltet sind, hinzugefügt oder entfernt wird, oder indem die Kapazitätswerte jeder Kondensatorzelle in dem Modul 65 entsprechend gewählt werden.
Der DC/DC-Wandler 22 umfasst beliebige notwendige Elektronikschaltungskomponenten, die zum Hochtransformieren oder Erhöhen des Ni veaus der Hilfsspannung V₁, welche von dem ESS 13 bereitgestellt wird, benötigt werden, um ein ausreichend erhöhtes Niveau der Unterstützungsspannung V₂ in dem Modul 65 zu erzeugen und zu speichern. Derartige Komponenten können beispielsweise einen Satz geeignet ausgestalteter Transistoren 45, z. B. einen Feldeffekttransistor, etwa einen MOSFET des in der Technik bekannten Typs, und/oder Dioden, einen Kondensator 49 und eine induktive Spule 43 umfassen, wie von Fachleuten auf dem Gebiet der DC/DC-Aufwärts- oder Abwärts/Aufwärts-Wandler verstanden wird. Die Drehmoment-Drehzahl-Hüllkurve jedes DC-Motors, etwa des Motors 41, hängt von der Versorgungsspannung ab, die den DC-Motor mit Energie versorgt. Das heißt, dass, je größer die Versorgungsspannung für den Motor ist, desto größer sind der Betrag an verfügbarem Drehmoment bei einer gegebenen Motordrehzahl sowie eine maximale Motordrehzahl ohne Last.
Bei der Ausführungsform von 3 ist die an den Motor 41 gelieferte Versorgungsspannung die Unterstützungsspannung V₂, welche die Hilfsspannung V₁ ist, nachdem diese von dem DC/DC-Wandler 22 hochtransformiert oder erhöht wurde. Der DC/DC-Wandler 22 kann so ausgestaltet sein, dass er einen vorbestimmten Verstärkungs- oder Hochtransformationsbetrag bereitstellt, welcher bei einer Ausführungsform etwa 125 bis 140 Prozent der Spannung V₁ beträgt. Wenn das ESS 13 zum Beispiel zum Erzeugen einer maximalen Spannung V₁ von 12 Volt in der Lage ist, kann der DC/DC-Wandler 22 so ausgestaltet sein, dass er eine Unterstützungsspannung V₂ mit einem höheren Spannungsniveau, wie etwa ungefähr 15 bis 17 Volt, bereitstellt. Diese höhere Unterstützungsspannung V₂ ermöglicht somit ein erhöhtes Motoranlassdrehmoment und eine höhere Motordrehzahl bei dem Motor 41, was ermöglicht, dass die Maschine 12 (siehe 1) in einer optimalen oder ausreichend verringerten Zeitspanne im Vergleich zu derjenigen gestartet werden kann, die durch die niedrigere Hilfsspannung V₁ bereitgestellt wird.
Immer noch mit Bezug auf 3 kann der zweite Schalter 60, der wie durch den Doppelpfeil C angezeigt geöffnet und geschlossen werden kann, zwischen der Last, etwa den Hilfssystemen 40, und dem Modul 65 angeordnet sein. Bei dieser Ausführungsform wird, wie vorstehend erörtert, eine effizientere Kaltanlassfähigkeit bereitgestellt, indem das Schließen des zweiten Schalters 60 ermöglicht wird, um das ESS 13 und das Modul 65 elektrisch parallel zu schalten. Wie der Fachmann versteht, fällt eine in einem Kondensator gespeicherte Spannung, etwa die in dem Modul 65 gespeicherte Unterstützungsspannung V₂, während eines verlängerten Maschinenanlassens ab. Ein verlängertes Anlassen, wie es hier verwendet wird, bezeichnet eine Dauer oder ein Intervall, die bzw. das länger als gewünscht oder erwartet dauert. Wenn zum Beispiel 300 Millisekunden (ms) als die gewünschte oder normale maximale Startdauer für die Maschine 12 (siehe 1) eingestellt sind, kann der zweite Schalter 60 geschlossen oder ausgelöst werden, wenn der Maschinenstart nicht innerhalb dieses Zeitintervalls oder innerhalb einer gewünschten kürzeren Zeitdauer abgeschlossen wurde, um zu ermöglichen, dass die Zeit zum Anlassen und Starten der Maschine mit Unterstützung von dem ESS 13 abgeschlossen wird. Obwohl 300 ms vorstehend erörtert wurden, ist dies nur eine mögliche Ausführungsform, und es ist nicht beabsichtigt, dass die Erfindung darauf beschränkt ist, da andere maximale Startdauern im Umfang der Erfindung in Abhängigkeit von der Konzeption des Fahrzeugs 10 (siehe 1) verwendet werden können.
Mit Bezug auf 4 stellt der Algorithmus 100 von 1 ein Verfahren zum Minimieren eines Absackens der Spannung in dem Fahrzeug 10 (siehe 1) während des Anlassens und Startens einer Maschine bereit, wie hier vorstehend beschrieben wurde. Der Algorithmus 100 kann programmiert, aufgezeichnet oder anderweitig in dem Controller 24 oder an einem Ort, der für den Controller 24 leicht zugänglich ist, gespeichert sein, und ist zum Detektieren oder Ermitteln des Vorhandenseins eines vorbestimmten Betriebszustands ausgelegt, der ein befohlenes Anlassen und Starten der Maschine 12 anzeigt. Bei jedem der folgenden Schritte sind die verschiedenen Komponenten des Fahrzeugs 10, auf die Bezug genommen wird, in 1 ersichtlich. Das Einleiten eines Anlassens und Startens der Maschine 12, wie es etwa auftritt, wenn ein Bediener des Fahrzeugs 10 ein Bremspedal loslässt oder ein Gaspedal oder eine andere (nicht gezeigte) Beschleunigungseinrichtung niederdrückt, während das Fahrzeug 10 steht und die Maschine 12 ausgeschaltet ist, wirkt wie ein vorbestimmtes Signal oder eine vorbestimmte Eingangsbedingung für den Controller 24, wodurch der Controller 24 alarmiert wird, um den ersten Schalter 32 zu schließen, während der zweite Schalter 60 offen bleibt.
Mit Schritt 102 beginnend, bei dem die Maschine 12 ausgeschaltet ist, stellt der Algorithmus 100 sicher, dass der erste und zweite Schalter 32 und 60 beide offen sind, entweder, indem die Schalter 32 und 60 geöffnet werden, oder indem verifiziert wird, dass die Schalter 32 und 60 bereits geöffnet sind. Dies kann erreicht werden, indem ein Signal oder ein Befehl an die Schalter 32 und/oder 60 zum Öffnen gesandt wird, oder indem ihre Stellung erfasst wird. Das Öffnen der Schalter 32 und 60 umfasst eine beliebige Aktion, welche bei dem ersten Schalter 32 die elektrische Verbindung zwischen dem Motor 41 und dem Modul 65 unterbricht oder trennt, oder welche bei dem zweiten Schalter 60 die direkte Verbindung zwischen dem ESS 13 und dem Motor 41 unterbricht. Der Algorithmus 100 geht dann zu Schritt 104 weiter.
Bei Schritt 104 vergleicht der Algorithmus 100 die Unterstützungsspannung V₂ in dem Modul 65 mit einer gespeicherten Schwellenwert- oder Zielspannung (V_T) und lädt dann das Modul 65 über den DC/DC-Wandler 22 und das ESS 13 auf, bis die Unterstützungsspannung V₂ im Wesentlichen gleich der Zielspannung (V_T) ist, d. h. innerhalb eines zulässigen Bereichs der Zielspannung (V_T) liegt. Die Zielspannung (V_T) kann bei einer Ausführungsform auf etwa 25 bis 40 Prozent über dem Niveau des ESS 13 eingestellt sein. Wenn die ESS 13 zum Beispiel eine Standard-12-Volt-Batterie ist, kann die Zielspannung (V_T) auf etwa 15 bis 17 Volt eingestellt sein. Fachleute werden jedoch erkennen, das andere Zielspannungen (V_T) innerhalb des Umfangs der Erfindung verwendet können, die von der speziellen Konzeption der Maschine 12, des ESS 13 und/oder des Motors 41 abhängen.
Zudem ist die zum Aufladen und Wiederaufladen eines gegebenen Kondensators des Moduls 65 benötigte Zeit eine Funktion der Kapazität jedes Superkondensators, der in dem Modul 65 enthalten ist, der gespeicherten Spannung in jedem Superkondensator beim Start eines Wiederaufladeereignisses, des von dem DC/DC-Wandler 22 gelieferten Stroms und der zu erreichenden Zielspannung (V_T). In einer Gleichungsform bedeutet dies t_charge = C·[Vf – Vi]/i, wobei C = Gesamtkapazität, Vf = Endspannung, Vi = anfängliche Kondensatorspannung und i = der von dem DC/DC-Wandler 22 (siehe 1) gelieferte Strom. Bei der beispielhaften Ausführungsform, bei welcher ein Modul 65 mit 110 Farad von 12 Volt auf eine Zielspannung (V_T) von 16 Volt aufgeladen werden muss, wobei der DC/DC-Wandler 22 10 Ampere liefert, beträgt die erwartete Wiederaufladezeit 44 Sekunden. Ohne Berücksichtigung der tatsächlichen Ausführungsform geht der Algorithmus 100 zu Schritt 106 weiter, wenn ermittelt wird, dass die Spannung V₂ im Wesentlichen gleich der Zielspannung (V_T) ist.
Bei Schritt 106 detektiert der Algorithmus 100 oder bestimmt auf andere Weise, ob gegenwärtig ein Maschinenanlass- und Startereignis eingeleitet oder befohlen wurde, etwa durch ein detektiertes Niederdrücken eines (nicht gezeigten) Gaspedals in dem Fahrzeug 10. Wenn ein Anlassen und Starten der Maschine eingeleitet und detektiert wurde, geht der Algorithmus 100 zu Schritt 108 weiter; andernfalls kehrt der Algorithmus 100 zu Schritt 104 zurück und wiederholt die Schritte 104 und 106, bis ein Anlassen der Maschine detektiert wurde.
Nachdem bei Schritt 106 ermittelt wurde, dass ein Anlassen und Starten der Maschine eingeleitet wurden, schließt der Algorithmus 100 bei Schritt 108 den ersten Schalter 32. Der zweite Schalter 60 bleibt in einem offenen Status. Dann geht der Algorithmus 100 zu Schritt 109 weiter.
Bei Schritt 109 wird eine Variable t_e, die den Zeitbetrag darstellt, welcher seit dem Starten des Anlassens der Maschine 12 vergangen ist, initialisiert oder auf Null gesetzt. Anschließend wird der Motor 41 während des Übergangsintervalls oder der Dauer, die zum Anlassen und Starten der Maschine 12 benötigt wird, exklusiv von der Unterstützungsspannung V₂ von dem Modul 65 mit Leistung versorgt, solange diese Dauer innerhalb einer vorbestimmten minimalen Schwellenwertdauer oder t_min liegt. Der Algorithmus 100 geht dann zu Schritt 110 weiter.
Bei Schritt 110 ermittelt der Algorithmus 100, ob die Maschine 12 gestartet ist. Wenn dem nicht so ist, geht der Algorithmus 100 zu Schritt 111 weiter. Andernfalls geht der Algorithmus 100 zu Schritt 112 weiter.
Bei Schritt 111 wird der aktuelle Wert für die Variable t_e (siehe Schritt 109) für die vergangene Zeit berechnet oder anderweitig ermittelt, wonach der Algorithmus 100 zu Schritt 113 weitergeht.
Bei Schritt 112 wird der Schalter 32 (Sw1) geöffnet. Der Algorithmus 100 geht dann zu Schritt 114 weiter.
Bei Schritt 113 wird der Wert von t_e mit einem kalibrierten minimalen Zeitwert t_min verglichen. Wenn t_e den kalibrierten minimalen Zeitwert (t_min) überschreitet, geht der Algorithmus 100 zu Schritt 117 weiter, andernfalls geht er zu Schritt 115 weiter.
Bei Schritt 114 wird der Status des zweiten Schalters 60 überprüft, um zu ermitteln, ob der zweite Schalter 60 geschlossen ist. Wenn dem so ist, geht der Algorithmus 100 zu Schritt 116 weiter. Wenn ermittelt wird, dass der zweite Schalter 60 geöffnet ist, ist der Algorithmus 100 beendet.
Bei Schritt 115 wird die Unterstützungsspannung V₂ mit der Hilfsspannung V₁ verglichen. Wenn die Unterstützungsspannung V₂ die Hilfsspannung V₁ überschreitet, geht der Algorithmus 100 zu Schritt 117 weiter, andernfalls geht der Algorithmus 100 zu Schritt 117 weiter.
Bei Schritt 116 wird der zweite Schalter 60 geöffnet. Dann ist der Algorithmus 100 beendet.
Bei Schritt 117 wird der zweite Schalter 60 geschlossen und der Algorithmus 100 geht zu Schritt 119 weiter.
Bei Schritt 119 wird die Position des Schalters 32 (Sw1) beibehalten und der Algorithmus 100 fährt mit Schritt 110 fort.
Obwohl die besten Arten zum Ausführen der Erfindung im Detail beschrieben wurden, werden Fachleute auf dem Gebiet, das diese Erfindung betrifft, verschiedene alternative Entwürfe und Ausführungsformen zum Umsetzen der Erfindung in die Praxis innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche erkennen.

Claims

Fahrzeug, umfassend: eine Maschine; einen mit der Maschine verbundenen Motor, wobei der Motor zum selektiven Anlassen und Starten der Maschine dient; ein Energiespeichersystem (ESS) mit einem ersten Spannungsniveau; und ein Superkondensatormodul mit einem zweiten Spannungsniveau; wobei das Modul von dem ESS auf das zweite Spannungsniveau aufgeladen werden kann, wenn die Maschine läuft; und wobei das Modul von dem ESS getrennt werden kann, um dadurch das zweite Spannungsniveau an den Motor zum Anlassen und Starten der Maschine zu liefern.
Fahrzeug nach Anspruch 1, das ferner einen DC/DC-Aufwärtswandler umfasst, der zum Erhöhen des ersten Spannungsniveaus von dem ESS ausgestaltet ist, um dadurch das zweite Spannungsniveau in dem Superkondensatormodul bereitzustellen.
Fahrzeug nach Anspruch 2, wobei das zweite Spannungsniveau etwa 125 bis 140 Prozent des ersten Spannungsniveaus beträgt.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei das erste Spannungsniveau etwa 12 Volt beträgt, das zweite Spannungsniveau etwa 16 Volt beträgt und das Superkondensatormodul eine Kapazität von etwa 110 Farad aufweist.
Fahrzeug nach Anspruch 1, das ferner einen Schalter umfasst; wobei ein Schließen des Schalters das ESS elektrisch parallel zu dem Superkondensatormodul schaltet, um dadurch zu ermöglichen, dass das ESS das Superkondensatormodul beim Anlassen und Starten der Maschine unterstützt.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine Hilfssystem aus der Gruppe gewählt ist, die aus einem Satz von Frontscheinwerfern, einem Satz von Scheibenwischern, Innenleuchten und einem Radio besteht.
Vorrichtung zum Verhindern des Absackens einer Spannung während des Anlassens und Startens einer Maschine in einem Fahrzeug, das eine Maschine, einen DC-Startermotor, eine Batterie mit einem ersten Spannungsniveau und einen DC/DC-Wandler aufweist, wobei die Vorrichtung umfasst: einen ersten und einen zweiten Schalter; ein Superkondensatormodul, welches mit der Batterie elektrisch verbunden ist und zum Bereitstellen eines zweiten Spannungsniveaus zum exklusiven Versorgen eines Anlassens und Startens der Maschine mit Leistung ausgelegt ist; und einen Controller mit einem Algorithmus zum selektiven Öffnen und Schließen des ersten und des zweiten Schalters; wobei ein Schließen des ersten Schalters das Superkondensatormodul mit dem Startermotor verbindet, um dadurch zu ermöglichen, dass das Superkondensatormodul das zweite Spannungsniveau an den Startermotor liefert, wodurch die Maschine unter Verwendung des zweiten Spannungsniveaus exklusiv angelassen und gestartet wird; und wobei ein Schließen des zweiten Schalters die Batterie mit dem Startermotor verbindet, wodurch die Maschine unter Verwendung zumindest des ersten Spannungsniveaus angelassen und gestartet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Vorrichtung einen DC/DC-Wandler umfasst, welcher sowohl mit der Batterie als auch dem Superkondensatormodul elektrisch verbunden ist, um das Superkondensatormodul auf das zweite Spannungsniveau aufzuladen, wobei das zweite Spannungsniveau auf einem Niveau liegt, das höher als das erste Spannungsniveau ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Batterie eine 12-Volt-Batterie ist, und wobei das zweite Spannungsniveau etwa 15 bis 17 Volt beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei ein Schließen des zweiten Schalters das ESS elektrisch parallel zu dem Superkondensatormodul schaltet, um dadurch zu ermöglichen, dass das ESS das Superkondensatormodul beim Anlassen und Starten der Maschine unterstützt.
Verfahren zum Verhindern des Absackens einer Spannung in einem Hilfssystem eines Fahrzeugs, das eine Maschine, einen Startermotor, ein Energiespeichersystem (ESS) mit einer ersten Spannung, und ein Superkondensatormodul aufweist, das mit dem ESS elektrisch verbunden werden kann, wobei das Verfahren umfasst, dass: das Superkondensatormodul von dem Startermotor getrennt wird, wenn die Maschine läuft; das Superkondensatormodul aufgeladen wird, bis eine zweite Spannung, die von dem Superkondensatormodul gespeichert wird, gleich einer gespeicherten Zielspannung ist; ein befohlenes Anlassen und Starten der Maschine detektiert wird; und das Superkondensatormodul mit dem Startermotor verbunden wird, wenn das befohlene Anlassen und Starten der Maschine detektiert wird, wodurch die Maschine gestartet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, das ferner umfasst, dass: eine Maschinentemperatur detektiert wird; und die zweite Spannung und die erste Spannung zum Anlassen und Starten der Maschine verwendet werden, wenn die Maschinentemperatur eine gespeicherte Schwellenwerttemperatur überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 12, das ferner umfasst, dass: eine Anlasszeit detektiert wird, und die zweite Spannung und die erste Spannung zum Anlassen und Starten der Maschine verwendet werden, wenn die Anlasszeit eine gespeicherte Schwellenwertanlasszeit überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 12, das ferner umfasst, dass: eine gespeicherte Zielspannung gleich etwa 125 bis 140 Prozent der ersten Spannung eingestellt wird; und ein DC/DC-Aufwärtswandler verwendet wird, um die erste Spannung auf ein Niveau zu erhöhen, das gleich der gespeicherten Zielspannung ist.
Verfahren nach Anspruch 14, das ferner umfasst, dass: das ESS als eine 12-Volt-Batterie ausgestaltet wird; und die gespeicherte Zielspannung gleich etwa 15 bis 17 Volt eingestellt wird.