用於使電池輸出升壓的系統和方法

2023-05-11 17:39:06

專利名稱：：用於使電池輸出升壓的系統和方法用於使電池輸出升壓的系統和方法背景本公開總地涉及電氣設備和電路，例如用於使交通工具電池的輸出升壓以助於啟動交通工具的電路。圖1A是包括電池升壓電路的交通工具的示例性實施方案的圖示。圖1B是如被配置用於涉及啟動交通工具的應用的電池升壓電路的示例性實施方案的圖示。圖1C是包括電池升壓電路的蜂窩電話的示例性實施方案的圖示。圖1D是包括電池升壓電路的手持通信或計算設備的示例性實施方案的圖示。圖1E是包括電池升壓電路的照相機的示例性實施方案的圖示。圖2是電池升壓電路的示例性控制器的功能框示。圖3是用於控制電池升壓電路可以包括的升壓轉換器的輸出的示例性電路的示意圖示。圖4是用於接合(engage)或控制電池升壓電路的螺線管接觸體的示例性電路的示意圖示。圖5是電池升壓電路的示例性實施方案的圖示。圖6是電池升壓電路的示例性實施方案的圖示。圖7是電池升壓電路的示例性控制器的功能框示。圖8是用於接合或控制電池升壓電路的螺線管接觸體的示例性電路的示意圖示。圖9是用於使電池的輸出升壓的示例性過程的流程圖。圖IO是圖示示例性電池升壓電路的電流特性的曲線圖。圖11是圖示示例性電池升壓電路的電壓特性的曲線圖。具體實施例方式在一個示例性實施方案中，如圖1A中所示，交通工具101包括用於引擎啟動的電路100。如圖1B中所示，電路100將超級電容器120置為與負載110和電池115或其他適當電源串聯排列，以升高或提升(enhance)對負載110的電能遞送。這種其他適當的電源例如可以包括一個或更多個燃料電池、太陽能電池或發電機。電路100可以應用於各種負載類型，並且可適用於許多應用，圖1A圖示了使到交通工具內燃機(未在圖1B中明確圖示)啟動馬達110的輸出升壓的示例性場景。交通工具(例如汽車、小轎車、卡車、摩託車、船、飛機等等)101的電池115通常呈現出對環境溫度波動的敏感性。例如，在寒冷的天氣下，單獨的電池可能產生降低的電能水平，並且可能難以啟動汽車引擎。令該問題惡化的是，寒冷的氣溫可能增加汽車引擎中機油的稠度，由此要求來自啟動馬達110的更大扭矩來轉動或者發動引擎，並且因此要求更大的電池電流。換言之，溫度對於無輔助電池和引擎的影響可能妨礙寒冷天氣發動。如在下面將以進一步的細節討論的那樣，在引擎啟動之前，電路100將來自電池115的能量儲存在超級電容器模塊105的超級電容器120中。為了準備放電以補充來自電池115的電能來供引擎發動，電路100對超級電容器120充電。多數超級電容器是電化學電容器，具有比更多的普通電容器(例如電解電容器)高的能量密度。超級電容器通常在視覺上類似常規電容器，但是通常提供高得多的電容或者儲能密度。儘管常規電容器可以具有導電箔和乾式分離器(dryseparator)，但是示例性的超級電容器通過使用特殊電極和電解質(可以為有機或者水性的)而可以被視為與電池技術交叉。所述電極可以包括活性碳、金屬氧化物或者導電聚合物。很多超級電容器包括氣凝膠。現在參照圖1B,駕駛員接合啟動馬達110以啟動引擎，所述接合操作通常是通過轉動點火鑰匙而"接通(pullin)"或者閉合啟動接觸體125。在啟動事件時，電路100將來自超級電容器模塊105的儲存能量與來自電池115的能量組合，並且將該組合的能量遞送到啟動馬達110。因此，電路100遞送一電能峰值輸出，其顯著地高於電池115單獨的功率輸出。所產生的脈衝功率或者電能升壓提升啟動馬達110的扭矩和旋轉速度，以快速啟動引擎，即使是在寒冷的天氣下。換言之，電路100響應於觸發器事件，例如交通工具操作員嘗試啟動交通工具的引擎。該響應包括超級電容器模塊105與電池115協作來為啟動馬達110提供足以快速並高效地啟動引擎的電壓和電流水平。超級電容器120在交通工具引擎啟動期間遞送的增加能量為駕駛員或者交通工具使用者提供顯著的益處。電路100將超級電容器120與電池115置為電氣串聯，使得超級電容器120的電壓輸出加到電池115的電壓輸出上。因此，啟動馬達110接受充電的超級電容器120和電池115的加和的或者組合的電壓。該組合的電壓驅動一提升的電流水平通過啟動馬達110的內部線圈(未在圖1B中明確圖示)，由此產生馬達110以及相關聯內燃機提高的扭矩和旋轉速度。如在下面將以進一步的細節討論的，超級電容器模塊105包括控制施於超級電容器120的電流持續時間或電流量的調節能力，使得充電的超級電容器120具有的電壓獨立於電池115的電壓。調節超級電容器120的電壓的操作避免超出設備額定電壓。儘管下面的討論通常在交通工具啟動器應用的上下文中提及電路100(以及提及本文描述的其他示例性實施方案和示例性電路)，但是熟悉本領域和得益於該公開的技術人員將意識到，所描述的應用僅僅是很多潛在應用領域中的一個實施例。此外，這些電路或實施方案可以有益於廣泛範圍的應用，並且可以在各種操作環境和上下文中被採用。例如，具有本文公開特徵、功能或技術中一項或更多項的系統、方法或者電路可以使到手持設備、通信系統和閃光燈的電氣輸出升壓，在此僅列舉少數幾種可能性。進一步地，用於使電池輸出升壓的系統和方法可以將峰值電流、電壓和/或功率遞送到各種其他負載、設備或者部件，所述負載、設備或者部件在某些時候消耗高的電力水平，但是在其他時間期間消耗極少或者基本不消耗電力。例如，圖1C圖示其中蜂窩電話155包括提供升壓電能的電路150(參見圖1B)的示例性實施方案。同時，圖1D圖示其中電路150使到手持通信或計算設備160的電能升壓的示例性實施方案。在圖1E中所示的示例性實施方案中，電路150向數位相機165提供提升的電能供應，以滿足例如與操作該照相機的閃光燈相聯繫的電湧要求。因此，用於內燃機的啟動馬達110僅僅是間歇性吸引高電流水平的設備的一個實施例。所公開的技術可以有益於很多其他類似地具有間發的(sporadic)功率特性的已知設備。現在參照圖1B，電路100將超級電容器模塊105置為與電池115串聯排列，其中超級電容器模塊105直接連接在啟動接觸體125和電池正極端子130之間。S卩，電元件總地為彼此成行連接，從而各自的電壓相加(或者相減)。同時，串行元件的電流基本上是均勻的，基本上是一致的，或者具有基本上相等的值。與超級電容器120相關聯，超級電容器模塊105包括電壓升壓類型的直流到直流轉換器135，其可以被稱為轉換器控制器135。模塊105還包括控制轉換器控制器135輸出電壓的能力；螺線管接觸體140;以及基於超級電容器120兩端存在的電壓控制接觸體140的能力。通過這些控制能力，螺線管接觸體140響應於超級電容器120兩端的電壓值。當超級電容器120兩端的電壓滿足預定標準時，接觸體140閉合(允許電流動)。滿足預定標準通常包括電壓降低到接近零，或者略為負值。然而，在另一示例性實施方案中，該標準可以包括一非零電壓範圍。螺線管接觸體140的接觸閉合允許電池115直接連接到啟動馬達110，從而，如果超級電容器120完全放電則引擎發動可以繼續，由此避免超級電容器120的反向充電。一般來說，引擎在超級電容器120完全放電之前啟動。在各個實施方案中，螺線管接觸體140例如可以包括大電流接觸體、繼電器或者電激活開關。轉換器控制器135在每次使用——通常是可能需要部分或完全放電的啟動周期——後使超級電容器120重新充電。在示例性實施方案中，轉換器控制器135被經濟地設計為提供足以使超級電容器120重新充電超過一分鐘或者數分鐘的時間段的合理電流水平。換言之，超級電容器模塊105通常以從部件成本和使用的觀點來說高效且經濟上有利的方式控制超級電容器的重新充電率。在很多情況下，充電超過一分鐘或數分鐘提供優於在數秒中充電的優點。在電路100的示例性實施方案中，超級電容器120和螺線管接觸體140是商業上可獲得的部件。然而，可以被視為直流到直流轉換器系統或升壓轉換器系統的轉換器控制器135可以是為電路100而特別設計、配置或者優化的。圖2以框圖形式圖示超級電容器模塊105的示例性電路，並且描繪轉換器控制器135的示例性實施方案。圖3圖示的轉換器控制器135包括三個子系統開關升壓轉換器205;電壓控制器210;以及螺線管驅動器215。電壓控制器210將超級電容器120兩端的電壓降維持在其完全充電狀態。螺線管驅動器215在超級電容器120達到基本上放電狀態時操作螺線管接觸體140。圖2中標記為"W1"、"W2"、"W3"和"W4"的導體(通常是印刷電路板上的跡線、電連接或者導線)對應於圖1B中類似指代的元件。這些連接Wl、W2、W3、W4提供用於感測輸入並且用於輸出信號或電力來支持所描述功能的導電性。在示例性實施方案中，如本領域得益於本公開的技術人員將意識到的升壓轉換器205可以是非專門設計的(off-the-shelf)部件或者一些執行類似於商業上可獲得升壓轉換器的功能的電器件。更一般地，升壓轉換器205接收一個電壓而輸出另一個通常為不同的電壓。輸出電壓可以被視為經調節的、受控的或者經選擇的電壓。升壓轉換器205可以包括電感器、半導體開關、二極體、輸出電容器和控制器。控制器可以響應於輸出電壓和輸出電流條件操作半導體開關。猶他州歐瑞市(Orem)的PowerStream技術公司發布了適當的升壓轉換器205，具體來說是中國香港的NeuronElec加nics有限公司製造的PST-DU700型號。圖2的電路105是針對PowerStream產品配置的，這僅僅是適當部件的一個實施例。PowerStream升壓轉換器205(示例性而非限制性的)將其輸出電壓控制(反饋電壓)遞送到兩個電阻器(圖2中未明確圖示)之間的節點。該節點在5.0伏直流的參考電壓進行控制。圖3的電路連接到該節點，並且由此提供對升壓轉換器205的適當輸出電壓控制。更具體地，圖3圖示圖2以框圖形式圖示的電容器電壓控制210的示例性電路實施方案。圖示的電路210控制升壓轉換器205相對於地的輸出電壓，使得轉換器相對於地的輸出電壓以及轉換器相對於地的輸入電壓之差為固定值。該輸出電壓建立超級電容器120兩端的電壓。因此，不是將超級電容器120充電到相對地的固定電壓，而是升壓轉換9器205基於電壓差向超級電容器120提供相對電壓。電路210提供具有這樣的增益的差動放大器，即所述增益被選擇為使得當輸入W2和Wl之間的電壓差精確為5.0伏直流或者在其某個可接受的容限範圍內時，集成電路IC3A305的輸出為5.0伏直流。在該實施例中，5.0伏是期望的超級電容器充電電壓。導體Wl連接到電池端子電壓，而導體W2連接到超級電容器端子電壓。集成電路IC1310是電壓調節器，例如仙童半導體(FairchildSemiconductor)在標號"LM7805"下供應的電壓調節器。電阻器315具有值R1=1K和R2=5K，這些是被選為使得輸出電壓Vout等於6.0伏的值。為了實現該實施例中期望的操作，電阻器320如下選擇R3=R5=4.2K;R4=R6=1.1K;R7=R9=1K;R8=5K;R10=4.2K;並且R11^1K。集成電路IC2A、IC2B和IC3A325是典型的運算放大器，例如德州儀器(TexasInstruments)在部件標識"OPA2234"下營銷的器件。電位計R11330便利調整電路210的總體增益，使得輸出上的5.0伏的差動電壓基本上精確對應於到升壓轉換器電壓反饋控制節點的期望的5.0伏輸出。電阻器/電位計Rll330的典型電阻為1K。標記為"電壓反饋"和"W3地"的連接335分別連接到升壓轉換器控制220的控制節點(如圖2中所示以及上面所討論的)和地。從W3335到升壓轉換器205的地建立有一連接，這可以通過連接到負輸入端子或者負輸出端子220來實現，因為它們是共地節點。當由於在引擎啟動期間遞送到啟動馬達110的大電流而導致超級電容器120完全放電時，螺線管接觸體140操作來旁路超級電容器120。該動作避免反向充電超級電容器120，並且允許從電池115持續地、不受限地吸取電流。當大電流吸取停止時，螺線管接觸體140斷開(變化到開路電路狀況)。圖4圖示操作螺線管接觸體140實現這些功能的示例性電路215。更具體地，圖4圖示示例性實施如上面討論的、圖3以框圖形式圖示的螺線管驅動器215的電路215。螺線管接觸體140的線圈225連接到電路415的端子W3和W4。集成電路IC1405是提供穩定供應電壓的電壓調節器。在該實施例中，電阻器R1和R2410被選擇為使得Vout為5.0伏直流。在操作中，連接Wl和W2415感測超級電容器120兩端的電壓。這些連接415的兩個電壓施加到電壓跟隨器IC2A和IC2B420的輸入。這些電壓跟隨器420的輸出傳輸到比較器IC3B425。IC3B425的輸出在輸入匹配時切換到高，所述輸入匹配在W2和Wl415之間的電壓差降到零時發生。變化到高是在超級電容器120完全放電了時發生。IC2B420的輸出還傳輸到比較器IC3A430的一個輸入。比較器IC3A430的另一個輸入通過電阻器網絡R7和R8435參考固定電壓。電阻器網絡435的值和R3與R4440的值通常被選擇為使得比較器IC3A430的輸出在端子Wl415處的電壓(電池端子電壓)降到大致11伏直流以下時切換到高。這種電壓下降經常在電池115遞送大電流時發生。因此，比較器IC3A430的輸出在引擎啟動期間為高，此時高電流水平正被遞送到啟動馬達110。因此，比較器IC3B425和比較器IC3A430的輸出狀態表明操作螺線管接觸體140的螺線管225的條件。更具體地，當比較器IC3B425和比較器IC3A430的輸出都為高時，螺線管225供能來接合螺線管接觸體140。這兩個高狀態通過兩個與非門IC4A和IC4B440的作用在邏輯上作與運算。電路215將比較器IC4B425的高輸出施加於MOSFETQ6445的柵極，將其導通。MOSFETQ3450的柵極又被下拉到地，並且將MOSFETQ3450導通，這將電池電壓直接供應到端子W4455，激活螺線管225和相關聯的螺線管接觸體140。二極體D1460在其截止時夾斷螺線管接觸體140的電感產生的負電壓尖脈衝。在示例性電路215中，二極體D1可以是從多個商業來源在標號"MBRS3100"下可獲得的部件。類似地，用於MOSFETQ6445和MOSFETQ3450的示例性部件容易在分別的標號"BS170"和"NTD2955"下可獲得。最後，集成電路IC4A和IC4B440可以通過代碼"CD74HC00"來獲得其來源。以下電阻器值提供如該實施例中所期望的操作R3=R5=4.2K;R4=R6=1.1K;R7=2K;R8=1.1K;R15=10K;R14=100K;Rl-0;並且R2=5K。電阻器R13和R12465被選擇為使得比較器IC3A430呈現某個量的遲滯。值R13=50K和R12=1M足以確保比較器430必定改變狀態並避免震蕩。該遲滯通常導致超級電容器120略微反向充電，但是小於螺線管操作之前伏特值的十分之幾。上面討論以及在圖1、2、3和4中描繪的示例性電池升壓電路100可以根據各種應用、參數和性能目標而修改和域調適。例如，圖5圖示電池升壓電路500的另一示例性實施方案，現在將討論該電路。電路500(圖5)可以被視為將電路100的電池115替代為電池115B與超級電容器505的並聯排列。因此，電路500包括與超級電容器505並聯連接的電池115B(其基本上可以等同於圖1B的電池115)。在示例性實施方案中，電池升壓電路500的其餘電路元件可以基本上與上面參照圖1B、2、3和4討論的電池升壓電路100的相應元件相同。相對於圖1B的超級電容器模105，超級電容器模塊515可以被調適為除了串聯的超級電容器120之外併入並聯超級電容器505。200880009130.4說明書第7/15頁在示例性實施方案中，電池升壓電路500的超級電容器505不需要通過特殊的隔離電路與電池115B或者與交通工具電源總線隔離。減輕隔離約束是，串聯超級電容器120提供升壓能量並且固有地是隔離的。電池115B和交流發電機系統510在每次使用後，典型地是在與啟動交通工具引擎相關聯的放電之後，對並聯超級電容器505進行重新充電。因此，並聯超級電容器505可以在無需專用直流到直流轉換器來實施重新充電的情況下進行操作。在操作中，圖1B和圖5的示例性電路100、500在引擎發動期間並發地將來自電池115、115B的能量以及來自一個或更多個超級電容器120、505的能量饋送到啟動馬達IIO。然而，在可替換的實施方案中，啟動馬達110可以在引擎發動期間以排他方式從一個或更多個超級電容器120、505吸取電力。同時，電池115C(和/或交流發電機系統510)可以對超級電容器120、505重新充電，以為另一發動周期做準備。圖6以電池升壓電路600的形式圖示這樣的示例性實施方案，所述電池升壓電路600包括超級電容器模塊610。所圖示的電池升壓電路600包括以串聯安排設置的超級電容器120和以並聯安排設置的超級電容器505。這兩個超級電容器120、505—起為啟動馬達110供能。由於不再需要為啟動馬達提供電湧電流的操作，電池115C可以為否則不適於交通工具啟動應用的深循環電池。在啟動事件期間，電路600在電氣上移除或者斷開電池115，除非並聯超級電容器505的端子電壓降到閾值水平以下。如果超級電容器505的端子電壓確實下降到該閾值以下，則超級電容器505可能具有非足夠的能量，在這樣的情況下，螺線管接觸體140操作來搭接來自電池115C的能量以對超級電容器505重新充電。取代於根據前述圖5的電路500中操作來旁路串聯超級電容器120，螺線管接觸體140在電路600中執行一定程度上不同的功能。在電路600中，螺線管接觸體140將並聯電容器505與電池U5C隔離，直到需要重新充電。因此，電池U5C可以在發動期間與超級電容器120、505電性隔離。儘管具有與上面討論的實施方案類似的體系結構並且共享很多元件，示例性電路600具有額外的導體連接W7，該導體連接被用來操作螺線管接觸體140。電路600使用在連接W1上感測的電壓確定螺線管接觸體140的致動。被適當的電壓條件觸發，螺線管接觸體140閉合(建立電連接)並由此對並聯超級電容器505重新充電。該觸發電壓條件通常包括指示為交通工具啟動吸取電流的電壓降低。在其他時候，螺線管接觸體140保持非活動的，並且並聯超級電容器505與電池總線隔離。電路600的串聯超級電容器120以一般與上面參照圖1B、2、3、4和5討論的電路實施方案一致的方式進行操作。圖7圖示超級電容器模塊610的電路，包括圖6的電池升壓電路600的轉換控制器605的功能框圖。螺線管接觸體140的接觸705如圖7所示那樣配置。更具體地，一個接觸側電連接到電池的+端子(plusterminal)615，而另一側則連接到並聯超級電容器505的正(高電壓側)。標記為"螺線管驅動器電容器(cap)電壓隔離器"的子系統710的功能與如上所討論的圖2圖示的前述螺線管驅動器215有些不同。螺線管驅動器710通常不致動螺線管接觸體140，直到或者除非並聯超級電容器505兩端的電壓降到設定或預定值之下，所述設定或預定值可以比零伏大。換言之，用於閉合螺線管接觸體140的標準可以為具有在基本大於零伏的範圍中的超級電容器電壓，作為電壓基本上為零的替代方案。每當並聯超級電容器505正在重新充電時，即每當螺線管接觸體140被致動以閉合接觸705時，可選的視覺指示器620可以有利地警告使用者(例如駕駛員或者交通工具操作員)。指示器620可以例如包括燈、發光二極體、照亮的文字消息或者可聽見的信號。圖8示意性圖示通過前述條件或標準控制螺線管接觸體140的電路710的示例性實施方案。即，圖8的電路710提供圖7圖示為框圖元件的螺線管驅動器710的示例性實現。當在端子W1感測的電壓降到9.5伏以下時，圖8的電路710接合螺線管接觸體140。閉合螺線管接觸體140的操作通過將電池115C的正端子615連接到並聯超級電容器505的正(高電壓)側而對並聯超級電容器505重新充電。當端子W1的電壓升到12.5伏以上時，電路710去激活(電氣上開路)螺線管接觸體140。這些電壓閾值是與來自集成電路IC1805的經調節電壓值"Vout"(5.0伏)結合的電阻器R5、R7、RIO、Rll、R8和R9的電阻值選擇的函數。因此，用於操作螺線管接觸體140的閾值和標準可以容易地根據各種應用、性能目標和偏好進行調適。運算放大器U1810操作為具有遲滯的比較器，其中電阻器R8和R9的電阻值確定遲滯水平。運算放大器U1180的輸出饋入並且操作MOSFET開關Q6820,該MOSFET開關Q6820又控制固態開關Q3825。來自運算放大器U1180的高輸出將開關Q3825導通。來自電池正端子615的電壓通過端子W4和W3830被施加到螺線管接觸體140的銜鐵。當啟動正在進行時，圖8的電路實現710可以傾向於致動螺線管接觸體40，並且由此將電池115C連接到並聯出口的容器505。如果該事件發生並且使用者持續發動引擎，其中螺線管接觸體140被致動，則串聯超級電容器120可以變為反向充電的。為了減小該不希望情況的可能性，可選的視覺指示器620警告使用者或者交通工具駕駛員停止發動，直到指示器620關閉或者重置。指示器620關閉並聯超級電容器505完全被重新充13電和因此準備好引擎發動的指示。在指示器620可以為激活的任何短時間期間，升壓轉換器205基本上重新充電串聯的超級電容器120，從而發動可以再繼續。將意識到，圖8的電路實施方案710僅僅是可以實現或者實施驅動螺線管接觸體並隔離超級電容器電壓的系統功能的各種電路的一種實施例。即，所圖示的實施方案是示例性的，並且熟悉本領域並得益於本公開的技術人員可以基於本公開以及以文字和圖形形式給出的教導創造其他電路實施方案。例如，在一個可替換的示例性實施方案中，電路可以僅在發動未在進行時操作螺線管接觸體140。在另一個示例性實施方案中，控制電路可以在並聯超級電容器120重新充電時以及直到並聯超級電容器120重新充電時自動無效(override)使用者的發動嘗試。以這樣的無效能力，視覺指示器620可以是冗餘的並且因此可以被免除。現在將參照圖9描述用於使電池輸出升壓的示例性過程卯0，圖9圖示過程900的流程圖。儘管一般可應用於其他實施方案，但是將示例性參照圖6討論過程900。在過程900的步驟905，超級電容器模塊610連接到電池115C，並因此連接到交通工具IOI的交流發電機系統510。因此，超級電容器模塊610可以以按需為基礎取得電能，以維持並聯超級電容器505和串聯超級電容器120中的適當能量供給。這些超級電容器505、120中每一個的電壓(通常在端子兩端測得)一般提供對每個設備中所儲電荷或可獲得能量的指示。超級電容器505和超級電容器120可以分別被稱為"並聯的"和"串聯的"，作為對它們在電路600中一般配置的描述，而不是指示包含任何區別於彼此的固有或一體特徵。在步驟910，電池115C對並聯超級電容器505充電(或重新充電)。在一個示例性實施方案中，並聯超級電容器505被充電到一經調節的水平，該水平不同於電池115C的電壓。在可替換的實施方案中，並聯超級電容器505可以被充電直至其電壓實質等於電池115C的電壓。在步驟915，升壓轉換器605基於超級電容器120兩端的電壓將電流供應到串聯超級電容器120。例如，升壓轉換器605可以保持串聯超級電容器120充電到5伏。因此，電壓控制器210可以將串聯超級電容器120維持在基本上小於電池電壓並且避免超過超級電容器120額定電壓的電壓。在步驟920，駕駛員、操作員或使用者嘗試啟動引擎，通常是通過轉動點火鑰匙或者提供一些其他輸入或者激勵。在步驟925，響應於所述輸入或者一些其他的觸發事件，啟動繼電器625閉合，由此將電壓和電流施加到啟動馬達110。電路600向啟動馬達IIO施加實質上等於串聯超級電容器120電壓加上電池115C電壓的電壓水平。這些組合的電壓通常小於電池115C電壓的兩倍。啟動馬達110還從並聯超級電容器505接收電流。在步驟930，響應於施加的電壓和電流，啟動馬達IIO發動引擎並且隨後在引擎開始獨立運行時脫離。在步驟930之後，過程900循環回步驟905並重複進行。因此，超級電容器505、120重新充電，為再次發動引擎做準備。現在將討論對根據前述討論內容配置的電池升壓電路示例性實施方案的實驗室測試結果。圖10和11提供從物理測試電路的動態測試獲取的實驗數據曲線圖，所述物理測試電路經受模擬交通工具101中操作的條件。下面討論和示出的表1提供對三個實驗電路實施方案測試結果的總結。每個實驗電路配置被放電至固定的電阻性負載達最小兩秒的時間。該測試近似耦合到內燃機的實際啟動馬達的電負載條件。測試活動包括了以示波器測試電流和端子電壓(負載處)。直接測量連同對所獲取數據的普通計算分析得出可比性的性能結果。構建並針對性能測試了三個電路。如下面以進一步的細節討論的，這三個電路的測試結果的比較證明本文公開的升壓技術所達到的顯著優點。這三個電路被配置為具有刻意的相似性和刻意的差別，意圖支持良好性能比較。三個被測試電路的第一個具有連接到負載的電池。對於第二被測試電路，將超級電容器添加為與電池並聯。因此，該第二電路包括了電池和超級電容器，每一個均與負載並聯。證明了相對於另兩個電路來說意外的性能的第三被測試電路將超級電容器和電池置為了與負載串聯。所有三個被測試電路併入了相同的電池，PowerSonic型號PS-12550，12伏，55.0amp-hr，密封單元(sealedcell)。第二電路的並聯超級電容器和第三電路的串聯超級電容器併入了包括實質上等同單元(cell)的超級電容器。更具體地，超級電容器是通過將各個單元彼此串聯而構建的。每個單元是以氣凝膠碳電極構建並且包括有機電解質的試驗單元。確定製造後的單元電容為1600法。這些單元被設計為耐受2.5伏直流的最大操作電壓。串聯超級電容器是通過將兩個這些單元置於電氣串聯安排而構建的。以這種方式，串聯超級電容器能夠以兩端為5.0伏直流的情況進行操作而不超出單元額定值。在每次測試開始時串聯超級電容器兩端使用的電壓為5.0伏。並聯超級電容器是通過將六個這樣的單元彼此連接為電氣串聯安排而構建的。以這樣的方式，並聯超級電容器被配置為在13.0伏直流的端子電壓下進行操作而不超過單元額定值。電池在每次測試開始時操作在13.0伏。圖10圖示在第三電路(並聯超級電容器)的測試期間以示波器獲取的電流軌跡。因此，圖1000是串聯安排電池和超級電容器遞送到負載的電流作為時間的函數的曲線圖。如曲線圖數據所指示的，放電過程進行了至少兩秒。更一般地，測試在啟動事件持續兩秒的期間檢査了轉移到啟動馬達引擎負載的能量和平均功率。引擎啟動通常在頭兩秒期間發生，而成功的啟動源於在引擎發動期間遞送的高能量和功率。除了電流-時間軌跡本身之外，圖10的曲線圖1000中峰值初始電流1005是值得注意的，在下面會以進一步的細節進行討論。圖11圖示在同一電路測試期間搜集的相應源端子電壓軌跡。即，圖11的曲線圖1100圖示測試電路遞送到負載的電壓作為時間的函數。因此，包括超級電容器和電池的串聯安排的第三測試電路根據圖10的電流和圖11的電壓遞送電能。在時間=0秒，電流流動(圖10)並且初始電壓降落1105(圖11)。如熟悉本領域得益於本公開的技術人員將意識到的，初始電壓的值、電壓降以及峰值初始電流允許直截了當地計算電壓源和負載電阻的等效串聯電阻(ESR)。此外，正被轉移到負載的峰值功率在此時(時間=0)發生，並且峰值功率是初始電壓1110和峰值初始電流1005的數學乘積。即，在時間=0的功率是初始電壓乘以峰值初始電流。在兩秒的時間段期間轉移到負載的能量是負載兩端電壓1115乘以進入負載的電流的時間積分。換言之，在測試周期期間遞送的總和功率指示總的能量遞送。在源的ESR中作為熱散逸的能量是電流的平方與已經計算的ESR值乘積在兩秒期間的時間積分。緊接下面的表1列出了對三種被測試電路的測試結果的總結。表ltableseeoriginaldocumentpage16tableseeoriginaldocumentpage17第三被測試電路的串聯超級電容器(表1的第二排，標記為"第三電路串聯電容器和電池")一般根據圖1B、5、6分別圖示的電路100、500和600的串聯超級電容器120進行操作。當與第一和第二電路進行比較時，第三電路測試的性能證明如上討論的電路IOO、500和600的意料之外的改進的性能。從第一"僅電池"電路(表1的第一排)收集的測試數據指示在沒有來自超級電容器的幫助下啟動事件的性能。從第二"電池與並聯電容器"數據收集的測試數據證明了相對於第一"僅電池"電路的性能益處。以下描述總結該串聯超級電容器安排的具體的、意料之外的益處。峰值初始電流啟動馬達可以遞送以轉動引擎的扭矩直接與電流成比例。相對於第一電路(僅電池)，第三電路(串聯超級電容器)提供大致大20%的電流，這類似於第二電路(並聯超級電容器)所提供的電流。初始電壓相對於第一電路(僅電池)，第二電路(並聯超級電容器)和第三電路(串聯超級電容器)每一個提供大致大20%的初始電壓。峰值功率如表1中所示，第二電路(並聯超級電容器)和第三電路(串聯超級電容器)每一個供應比第一電路(僅電池)大致高40%的峰值功率。在兩秒啟動事件期間散逸的總能量總散逸的能量是遞送到負載的能量與在源的ESR內作為熱散逸的能量的總和。這兩種能量在表1中分別被標記為"兩秒的負載能量"和"兩秒內ESR中的總能量"。第三電路(串聯超級電容器)對比第二電路(並聯超級電容器)的"在兩秒期間散逸的總能量"指示第三電路的能量使用約略沒有第二電路那麼高效。對此結果的解釋是，第三電路(串聯超級電容器)讓大啟動電流通過串聯電容器的ESR以及電池的ESR兩者。同時，第二電路(並聯超級電容器)僅讓大啟動電流通過其自己的ESR，該ESR一般是遠低於電池ESR的值。然而，對啟動事件而言，適當的性能因素(figureofmerit)並非該相對效率。相反，性能因素是"兩秒的負載能量"值。對這些值的觀察組合對"相對於僅有電池來說到負載的能量百分比"的觀察證明，第三電路(串聯超級電容器)比第一電路(僅電池)轉移大致多20%的能量到負載。第二電路(並聯超級電容器)轉移大致多40%的能量。然而，基於第—電路(並聯超級電容器)的可營銷產品的部件成本比基於第二電路(串聯超級電容器)的可營銷產品的部件成本高得多。換言之，包括與電池呈串聯安排的超級電容器的電池升壓電路提供出乎意料之外足夠的性能，同時實現顯著的成本優點。負載電阻和源ESR:負載電阻值證明測試負載對於三個測試來說是幾乎相等的。源ESR值證明前述關於能量轉移預算的原則。電池通常具有高ESR，在該例子中以約6.9毫歐(milliohm)的值示例。串聯超級電容器增加約1.5毫歐，將第三電路(串聯超級電容器)的源ESR提升至大致8.3毫歐。同時，對於第二電路(並聯超級電容器)，並聯超級電容器的ESR連同電池的並連ESR產生3.8毫歐的低值。表l中給出的數據證明電池升壓電路示例性實施方案意料之外提升的啟動性能。從對測試數據的討論應該清楚，從包括串聯超級電容器和並聯超級電容器-電池組合的配置甚至可以得到更好的性能。因此，包括並聯超級電容器和串聯超級電容器的電池升壓電路，例如圖5的示例性電路500或圖6的電路600，提供比表1所示值更高的性能。已經描述了一種方法，包括將超級電容器充電到調節的電壓的步驟以及向負載施加所述調節的電壓和電源電壓的串聯組合的另一步驟。在一個示例性實施方案中，所述電源電壓包括電池電壓。在一個示例性實施方案中，所述負載包括用於內燃機的啟動馬達。在一個示例性實施方案中，所述負載包括間歇性耗用的通信設備部件。在一個示例性實施方案中，向負載施加所述調節的電壓和電源電壓的串聯組合的所述步驟包括對數位相機的閃光燈充電。在另一個示例性實施方案中，手持設備包括所述負載。在另一個示例性實施方案中，蜂窩電話包括所述負載。在再一個示例性實施方案中，將超級電容器充電到調節的電壓的所述步驟包括將所述超級電容器充電到實質上小於所述電源電壓的選定電壓水平。在再一個示例性實施方案中，將超級電容器充電到調節的電壓的所述步驟包括使所述調節的電壓維持在獨立於所述電源電壓的波動的特定水平。還已經描述了一種方法，包括通過從具有第二電壓的電池轉移能量到超級電容器來維持所述超級電容器上的第一電壓的步驟，其中所述第一電壓實質上低於所述第二電壓。所描述的方法還包括將所述電池和所述超級電容器與負載串聯連接的步驟。在一個示例性實施方案中，將所述電池和所述超級電容器與負載串聯連接的所述步驟包括將所述第一電壓和所述第二電壓的和施加於所述負載。在另一個示例性實施方案中，通過從具有第二電壓的電池轉移能量到超級電容器來維持所述超級電容器上的第一電壓的所述步驟包括以用於調節電壓的裝置對所述超級電容器充電。在再一個示例性實施方案中，將能量從所述電池轉移到所述超級電容器的操作包括升壓轉換器將電饋送到所述超級電容器。在更多的一個示例性實施方案中，所述維持步驟還包括維持所述超級電容器上的所述第一電壓獨立於所述第二電壓的波動。在再另一個示例性實施方案中，所述方法還包括將第二超級電容器與所述負載並聯連接。在另一個示例性實施方案中，所述負載包括馬達。在最後一個示例性實施方案中，所述負載包括間歇性吸取電能的通信設備部件。還已經描述了一種電氣系統，包括超級電容器；用於將所述超級電容器充電到調節的電壓的裝置；以及電路，所述電路包括所述超級電容器和所述用於對所述超級電容器充電的裝置，所述電路用於響應於觸發事件向負載施加所述調節的電壓和電源電壓的串聯組合。在示例性實施方案中，所述電氣系統還包括第二超級電容器，所述電路可操作來響應於所述觸發事件將所述第二超級電容器與所述負載並聯連接，並且所述觸發事件的發生包括接合交通工具的點火開關。在另一個示例性實施方案中，所述負載包括用於內燃機的啟動器，並且其中所述用於對所述超級電容器充電到調節的電壓的裝置包括升壓轉換器。還已經公開了一種設備，包括用於通過調節電荷從具有第二電壓的電池向超級電容器的轉移來將所述超級電容器充電到第一電壓的裝置；以及用於將充電的所述超級電容器和所述電池與負載串聯連接的裝置。在示例性實施方案中，所述第一電壓實質上低於所述第二電壓。在另一個示例性實施方案中，所述第一電壓實質上不同於所述第二電壓。在再一個示例性實施方案中，調節電荷的所述轉移的操作包括以從所述電池吸取功率的直流到直流轉換器對所述超級電容器充電。在一個示例性實施方案中，所述設備包括蜂窩電話，並且其中所述負載包括所述蜂窩電話間歇性耗能的元件。還已經公開了一種用於啟動交通工具引擎的方法。在示例性實施方案中，所述方法包括以下步驟將來自電池的電池電壓施加於升壓轉換器；將來自所述升壓轉換器的電流施加於超級電容器，以將所述超級電容器維持在調節的電壓水平，所述調節的電壓水平獨立於所述電池電壓與寒冷的天氣條件相關聯的下降；提供包括以下項的串聯安排的電路所述電池；所述超級電容器；啟動螺線管；以及啟動馬達；響應於所述交通工具的駕駛員轉動點火鑰匙，接合所述啟動螺線管；響應於接合所述啟動螺線管的所述步驟，將所述下降的電池電壓和所述調節的電壓水平的和施加於所述啟動馬達；以及響應於施加所述下降的電池電壓和所述調節的電壓水平的和的所述步驟，旋轉所述啟動馬達並且啟動所述引擎。已經描述了一種用於為與引擎相關聯啟動馬達供能的方法。該方法的示例性實施方案包括提供電池，所述電池具有響應於環境條件而改變的電池電壓；監控超級電容器端子之間的電壓；通過根據來自所述監控的電壓的反饋向所述超級電容器饋送電流而將所述超級電容器維持在完全充電狀態；將所述完全充電的超級電容器、所述電池、啟動繼電器和所述啟動馬達彼此串聯連接；以及響應於使用者轉動點火鑰匙，閉合所述啟動繼電器，並且向所述啟動馬達施加所述監控的電壓和響應於環境條件改變的所述電壓的加和組合。還描述的一種用於啟動內燃機的電氣系統。該電氣系統的示例性實施方案包括儲能器件，所述儲能器件包括碳電極、氣凝膠、第一端子和第二端子；用於將所述儲能器件充電到這樣的電壓水平的升壓轉換器，所述電壓水平不管饋入所述升壓轉換器的電池電壓變化而保持基本上均勻，並且所述電池包括正端子和負端子；以及電路。在示例性實施方案中，所述電路包括啟動繼電器；以及導電路徑，當所述繼電器閉合時，所述導電路徑在以下部件之間延伸所述第一端子和啟動馬達的繞組之間；所述第二端子和所述正端子之間；以及所述負端子和所述啟動馬達的所述繞組之間。在示例性實施方案中，所述啟動繼電器基於來自於使用者的輸入而操作來閉合，並且所述啟動馬達響應於流過所述繞組的電力而操作來啟動所述內燃機。還已經描述了一種用於向交通工具的啟動馬達施加電力的系統。在示例性實施方案中，所述系統包括用於將超級電容器充電到第一電壓的超級電容器模塊，所述充電操作是通過基於對所述第一電壓的監控來調節電能從電池向所述超級電容器的轉移來進行的，其中所述第一電壓的範圍為約3伏到約6伏，並且其中所述電池具有範圍為約9伏到約15伏的第二電壓；以及將所述充電的超級電容器和所述電池與所述啟動馬達串聯連接的電路。應理解，前述描述僅僅描述實施例，並且權利要求書意圖覆蓋偏離本公開的方案。例如，可以實現廣泛的各種電路變體來滿足多樣的性能目標。此外，所公開方法的操作步驟和所公開系統的元件可以被省略或補充。在很多情況下，本公開的一些特徵可以被採用而無需相應使用其他公開的特徵。此外，上述實施方案和/或變體的一種或更多種可以整個或者部分與其他上述實施方案和/或變體的任何一個或更多個組合。儘管已經在上面以細節描述了數個示例性實施方案，但是所公開的實施方案僅是示例性而非限制性的，並且本領域技術人員將容易意識到，在示例性實施方案中很多其他修改、改動和/或替換是可能的，而不實質偏離本公開的新穎性教導和優點。因此，所有這些修改、改動和/或替換意圖被包括在如所附權利要求書所限定的本公開的範圍內。在權利要求書中，裝置加功能的短語意圖覆蓋本文所公開的執行所應用功能的結構，並非僅僅是結構上等同，還有等同的結構。權利要求1.一種方法，包括將超級電容器充電到調節的電壓；以及向負載施加所述調節的電壓和電源電壓的串聯組合。2.根據權利要求1所述的方法，其中所述電源電壓包括電池電壓。3.根據權利要求1所述的方法，其中所述負載包括用於內燃機的啟動馬達。4.根據權利要求1所述的方法，其中所述負載包括間歇性耗用的通信設備部件。5.根據權利要求1所述的方法，其中向負載施加所述調節的電壓和電源電壓的串聯組合的所述步驟包括對數位相機的閃光燈充電。6.根據權利要求1所述的方法，其中手持設備包括所述負載。7.根據權利要求1所述的方法，其中蜂窩電話包括所述負載。8.根據權利要求1所述的方法，其中將超級電容器充電到調節的電壓的所述步驟包括將所述超級電容器充電到實質上小於所述電源電壓的選定電壓水平。9.根據權利要求1所述的方法，其中將超級電容器充電到調節的電壓的所述步驟包括使所述調節的電壓維持在獨立於所述電源電壓的波動的特定水平。10.—種方法，包括通過從具有第二電壓的電池轉移能量到超級電容器來維持所述超級電容器上的第一電壓，其中所述第一電壓實質上低於所述第二電壓；以及將所述電池和所述超級電容器與負載串聯連接。11.根據權利要求IO所述的方法，其中將所述電池和所述超級電容器與負載串聯連接的所述步驟包括將所述第一電壓和所述第二電壓的和施加於所述負載。12.根據權利要求IO所述的方法，其中通過從具有第二電壓的電池轉移能量到超級電容器來維持所述超級電容器上的第一電壓的所述步驟包括以用於調節電壓的裝置對所述超級電容器充電。13.根據權利要求10所述的方法，其中將能量從所述電池轉移到所述超級電容器的操作包括升壓轉換器將電饋送到所述超級電容器。14.根據權利要求10所述的方法，其中所述維持步驟還包括維持所述超級電容器上的所述第一電壓獨立於所述第二電壓的波動。15.根據權利要求10所述的方法，還包括將第二超級電容器與所述負載並聯連接。16.根據權利要求10所述的方法，其中所述負載包括馬達。17.根據權利要求10所述的方法，其中所述負載包括間歇性吸取電能的通信設備部件。18.—種電氣系統，包括-超級電容器；用於將所述超級電容器充電到調節的電壓的裝置；以及電路，所述電路包括所述超級電容器和所述用於對所述超級電容器充電的裝置，所述電路用於響應於觸發事件向負載施加所述調節的電壓和電源電壓的串聯組合。19.根據權利要求18所述的電氣系統，其中所述電氣系統還包括第二超級電容器，其中所述電路可操作來響應於所述觸發事件將所述第二超級電容器與所述負載並聯連接，並且其中所述觸發事件的發生包括接合交通工具的點火開關。20.根據權利要求18所述的電氣系統，其中所述負載包括用於內燃機的啟動器，並且其中所述用於對所述超級電容器充電到調節的電壓的裝置包括升壓轉換器。21.—種設備，包括用於通過調節電荷從具有第二電壓的電池向超級電容器的轉移來將所述超級電容器充電到第一電壓的裝置；以及用於將充電的所述超級電容器和所述電池與負載串聯連接的裝置。22.根據權利要求21所述的設備，其中所述第一電壓實質上低於所述第二電壓。23.根據權利要求21所述的設備，其中所述第一電壓實質上不同於所述第二電壓。24.根據權利要求21所述的設備，其中調節電荷的所述轉移的操作包括以從所述電池吸取功率的直流到直流轉換器對所述超級電容器充電。25.根據權利要求21所述的設備，其中所述設備包括蜂窩電話，並且其中所述負載包括所述蜂窩電話間歇性耗能的元件。26.根據權利要求21所述的設備，其中所述負載包括數位相機的閃光燈。27.根據權利要求21所述的設備，其中所述負載包括機械耦合到引擎的馬達。28.—種用於啟動交通工具引擎的方法，包括以下步驟將來自電池的電池電壓施加於升壓轉換器；將來自所述升壓轉換器的電流施加於超級電容器，以將所述超級電容器維持在調節的電壓水平，所述調節的電壓水平獨立於所述電池電壓與寒冷的天氣條件相關聯的下降；提供包括以下項的串聯安排的電路所述電池；所述超級電容器；啟動螺線管；以及啟動馬達；響應於所述交通工具的駕駛員轉動點火鑰匙，接合所述啟動螺線管；響應於接合所述啟動螺線管的所述步驟，將所述下降的電池電壓和所述調節的電壓水平的和施加於所述啟動馬達；以及響應於施加所述下降的電池電壓和所述調節的電壓水平的和的所述步驟，旋轉所述啟動馬達並且啟動所述引擎。29.—種用於為與引擎相關聯啟動馬達供能的方法，包括提供電池，所述電池具有響應於環境條件而改變的電池電壓；監控超級電容器端子之間的電壓；通過根據來自所述監控的電壓的反饋向所述超級電容器饋送電流而將所述超級電容器維持在完全充電狀態；將所述完全充電的超級電容器、所述電池、啟動繼電器和所述啟動馬達彼此串聯連接；以及響應於使用者轉動點火鑰匙，閉合所述啟動繼電器，並且向所述啟動馬達施加所述監控的電壓和響應於環境條件改變的所述電壓的加和組合。30.—種用於啟動內燃機的電氣系統，包括儲能器件，所述儲能器件包括碳電極、氣凝膠、第一端子和第二端子；用於將所述儲能器件充電到這樣的電壓水平的升壓轉換器，所述電壓水平不管饋入所述升壓轉換器的電池電壓變動而保持基本上均勻，並且所述電池包括正端子和負端子；以及電路，所述電路包括啟動繼電器；以及導電路徑，當所述繼電器閉合時，所述導電路徑以下部件之間延伸所述第一端子和啟動馬達的繞組之間；所述第二端子和所述正端子之間；以及所述負端子和所述啟動馬達的所述繞組之間，其中所述啟動繼電器基於來自於使用者的輸入而操作來閉合，並且其中所述啟動馬達響應於流過所述繞組的電力而操作來啟動所述內燃機。31.—種用於向交通工具的啟動馬達施加電力的系統，包括-用於將超級電容器充電到第一電壓的超級電容器模塊，所述充電操作是通過基於對所述第一電壓的監控來調節電能從電池向所述超級電容器的轉移來進行的，其中所述第一電壓的範圍為約3伏到約6伏，並且其中所述電池具有範圍為約9伏到約15伏的第二電壓；以及將所述充電的超級電容器和所述電池與所述啟動馬達串聯連接的電路。全文摘要本文公開了使電池輸出升壓的方法和系統，包括與電壓源串聯連接的超級電容器，所述電壓源與負載串聯連接。所述超級電容器可以通過升壓電路被充電到調節的和監控的電壓。所述方法和系統適用於高脈衝吸取應用，例如蜂窩電話或者數位相機閃光燈，或者適用於在諸如交通工具在寒冷溫度下啟動馬達的不利條件下補充電池電壓。文檔編號F02N99/00GK101641760SQ200880009130公開日2010年2月3日申請日期2008年4月3日優先權日2007年4月4日發明者弗蘭克·安東尼·多利加克申請人:庫帕技術公司