(57)【要約】  負荷に電力を供給する方法及びシステムを提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池と、
補助電荷格納デバイスと、
電気始動器モータと、
前記電池と前記電気始動器モータとの間の電気的な接続を入り切りする働きをする第１のスイッチと、
所定の遅延時間の後に前記電気始動器モータと前記補助電荷格納デバイスとの間の電気的接続を入り切りする働きをする第２のスイッチと、
前記補助電荷格納デバイスの電圧に応じて前記補助電荷格納デバイスを充電するように構成される充電回路と、
を有することを特徴とする内燃機関エンジン始動システム。
【請求項２】
前記充電回路は、ダイオードを有する請求項１に記載の内燃機関エンジン始動システム。
【請求項３】
前記充電回路は、前記第２のスイッチを有し、前記補助電荷格納デバイスの前記電圧が前記電池の電圧と実質的に等しくなるまで前記第２のスイッチを閉じた状態に維持するように構成される請求項１に記載の内燃機関エンジン始動システム。
【請求項４】
前記充電回路は、コンパレータを有する請求項１に記載の内燃機関エンジン始動システム。
【請求項５】
前記充電回路は、ヒステリシスを有する反転コンパレータを有する請求項１に記載の内燃機関エンジン始動システム。
【請求項６】
前記充電回路は、前記補助電荷格納デバイスの電圧を入力として受信するコンパレータを有する請求項１に記載の内燃機関エンジン始動システム。
【請求項７】
前記補助電荷格納デバイスは、少なくとも１つのキャパシタを有する請求項１に記載の内燃機関エンジン始動システム。
【請求項８】
前記補助電荷格納デバイスは、少なくとも１つの電池を有する請求項１に記載の内燃機関エンジン始動システム。
【請求項９】
電池からエンジン始動器モータに電気エネルギを供給するステップと、
電荷格納デバイスから前記エンジン始動器モータに電気エネルギを供給するステップと、
前記エンジンを始動するステップと、
前記エンジンが始動した後に前記電荷格納デバイスの端子電圧を監視するステップと、
前記電荷格納デバイスの前記端子電圧が所定のしきい値より低いときに前記電荷格納デバイスを充電するステップと、
を有することを特徴とするエンジン始動方法。
【請求項１０】
前記電荷格納デバイスを充電するステップは、ダイオードを介して前記電荷格納デバイスを充電するステップを有する請求項９に記載のエンジン始動方法。
【請求項１１】
電荷格納デバイスから前記エンジン始動器モータに電気エネルギを供給するステップは、電池からエンジン始動器モータに電気エネルギを供給するステップの後に遅延時間をおいて前記電荷格納デバイスから電気エネルギを供給するステップを有する請求項９に記載のエンジン始動方法。
【請求項１２】
電荷格納デバイスから前記エンジン始動器モータに電気エネルギを供給するステップは、電池からエンジン始動器モータに電気エネルギを供給するステップの後に、抵抗とキャパシタとの回路網によって決定される遅延時間を有して、前記電荷格納デバイスから電気エネルギを供給するステップを有する請求項９に記載のエンジン始動方法。
【請求項１３】
前記電荷格納デバイスを充電するステップは、前記電荷格納デバイスの前記端子電圧が前記電池の端子電圧の所定の範囲内に入るまで前記電荷格納デバイスを充電するステップを有する請求項９に記載のエンジン始動方法。
【請求項１４】
前記電池母線を介して電源が供給されるコイルを有する断路器接触器を使用して前記電荷格納デバイスを絶縁するステップをさらに有する請求項９に記載のエンジン始動方法。
【請求項１５】
前記電池母線を介して電源が供給されるコイルを有する継電器と、前記電荷格納デバイスを介して電源が供給されるコイルを有する断路器接触器とを使用して前記電荷格納デバイスを絶縁するステップをさらに有する請求項９に記載のエンジン始動方法。
【請求項１６】
前記エンジンがアイドリングしている間、前記電荷格納デバイスの前記端子電圧を比較することによって完全に充電した状態に前記電荷格納デバイスを維持し、前記電池と前記電荷格納デバイスとの間の接点を閉じるために断路器接触器のコイルを励磁するステップをさらに有する請求項９に記載のエンジン始動方法。
【請求項１７】
電荷格納デバイスから前記エンジン始動器モータに電気エネルギを供給するステップは、少なくとも１つのスーパキャパシタから電気エネルギを供給するステップを有する請求項９に記載のエンジン始動方法。
【請求項１８】
第１の電源から電流の第１の部分を供給するステップと、
遅延時間の後に第２の電源から電流の第２の部分を供給するステップと、
前記第２の電源の端子電圧がほぼ前記第１の電源の端子電圧より小さいときに、前記第２の電源を充電するステップと、
を有することを特徴とする電力供給方法。
【請求項１９】
前記第１及び第２の電源は、前記遅延時間の後に電気的に並列に接続する請求項１８に記載の電力供給方法。
【請求項２０】
前記第２の電源の前記端子電圧を監視して、前記第１の電源の電圧と実質的に等しい電圧まで前記第１の電源によって前記第２の電源を充電するように、前記第１及び第２の電源を電気的に接続するステップをさらに有する請求項１８に記載の電力供給方法。
【請求項２１】
前記第２の電源の前記端子電圧を監視して、前記第２の電源の前記端子電圧が所定のしいき値よりも小さいときに前記第１の電源によって前記第２の電源を充電するように、前記第１及び第２の電源を電気的に接続するステップをさらに有する請求項１８に記載の電力供給方法。
【請求項２２】
前記電力は、前記第１の電源及び前記第２の電源の少なくとも１つから第１及び第２のスイッチをそれぞれ介してエンジン始動器モータに供給され、
前記第２の電源を充電するステップは、前記第１のスイッチが開いた状態で前記第２のスイッチを介して前記第２の電源を充電するステップを有する請求項１８に記載の電力供給方法。
【請求項２３】
補助電源と、負荷に電力を供給する電源出力母線との接続を制御するように構成され、前記電源出力母線は、前記電力出力母線から前記負荷に電力の流れを開始するように構成される第１のスイッチを有する電源制御回路であって、
前記補助電源と前記電源出力母線とを電気的に接続するように構成される第２のスイッチと、
前記電源出力母線から前記負荷に電力が流れ始めた所定の時間後に前記電源出力母線と前記補助電源とが接続されるように前記第２のスイッチを制御するように構成され、さらに前記補助電源の端子電圧に基づいて前記補助電源を充電状態に維持するように構成される制御モジュールと、
を有することを特徴とする電源制御回路。
【請求項２４】
前記制御モジュールは、電力供給始動シーケンスの開始を示す初期信号を受信するように構成される請求項２３に記載の電源制御回路。
【請求項２５】
前記初期信号は、前記第１のスイッチが閉じたことに基づく請求項２４に記載の電源制御回路。
【請求項２６】
前記制御モジュールは、前記第２のスイッチの動作を制御するために前記補助電源の前記端子電圧を感知するように構成される請求項２３に記載の電源制御回路。
【請求項２７】
前記制御モジュールは、前記第２の電荷格納デバイスの前記電圧に基づいて、前記電源出力母線から前記第２の電荷格納デバイスを充電するように構成される請求項２３に記載の電源制御回路。
【請求項２８】
前記制御モジュールは、前記第２のスイッチと電気的に並列に接続されたダイオードを有する請求項２３に記載の電源制御回路。
【請求項２９】
前記制御モジュールは、前記補助電源の前記端子電圧が前記電源出力母線の電圧と実質的に等しくなるまで、前記第２のスイッチを閉状態に維持するように構成される請求項２３に記載の電源制御回路。
【請求項３０】
前記制御モジュールは、前記補助電源の前記端子電圧と調節された電源の出力電圧とを比較するように構成されるコンパレータを有する請求項２３に記載の電源制御回路。
【請求項３１】
前記コンパレータは、前記補助電源の前記端子電圧が前記調整された電源の前記出力電圧より低くなる場合に、前記第２のスイッチを閉じる信号を生成するように構成される請求項３０に記載の電源制御回路。
【請求項３２】
前記補助電源は、少なくとも１つのキャパシタを有する請求項２３に記載の電源制御回路。
【請求項３３】
前記補助電源は、少なくとも１つの電池を有する請求項２３に記載の電源制御回路。
【請求項３４】
内燃機関エンジンと、
前記内燃機関エンジンを始動する電気始動器モータと、
電池と、
補助電荷格納デバイスと、
前記電池と前記電気始動器モータとの間の電気的な接続を入り切りする動作が可能な第１のスイッチと、
前記電気始動器モータと前記補助電荷格納デバイスとの間の電気的な接続を入り切りする動作が可能な第２のスイッチと、
前記補助電荷格納デバイスの電圧に応じて前記補助電荷格納デバイスを充電するように構成される第１の制御回路と、
前記第１のスイッチが閉じる時間と前記第２のスイッチが閉じる時間との間に所定の遅延時間を有し、前記第１のスイッチが閉じた後に前記第２のスイッチを閉じるように構成される第２の制御回路と、
を有することを特徴とするエンジンシステム。
【請求項３５】
前記内燃機関エンジンから動力を供給される車両をさらに有する請求項３４に記載のエンジンシステム。
【請求項３６】
前記内燃機関エンジンから動力を供給される電力生成器をさらに有する請求項３４に記載のエンジンシステム。
【請求項３７】
前記補助電荷格納デバイスは、少なくとも１つのスーパキャパシタを有する請求項３４に記載のエンジンシステム。
【請求項３８】
主要蓄電手段と、
補助蓄電手段と、
エンジンの電気的始動手段と、
前記補助蓄電手段に関する電圧に応じて前記補助蓄電手段を充電する手段と、
前記主要蓄電手段と前記エンジンの電気的始動手段とが電気的に接続するときを感知する手段と、
前記主要蓄電手段と前記エンジンの電気的始動手段とが電気的に接続したときを感知することに応じて所定の遅延を提供する手段と、
前記所定の遅延の終了に応じて前記補助蓄電手段と前記エンジンの電気的始動手段とを電気的に接続する手段と、
を有することを特徴とするエンジン始動システム。
【請求項３９】
前記補助蓄電手段を充電する手段は、前記補助蓄電手段に関係する電圧が前記主要蓄電手段に関係する電圧と実質的に等しくなるまで、前記補助蓄電手段を充電する手段を有する、請求項３８に記載のエンジン始動システム。
【請求項４０】
前記補助蓄電手段を充電する手段は、前記補助蓄電手段に関係する電圧が入力として提供される電圧比較手段を有する、請求項３８に記載のエンジン始動システム。
【請求項４１】
電池からエンジン始動器モータに電気エネルギを供給するステップと、
電池からエンジン始動器モータに電気エネルギを供給するステップの後、電荷格納デバイスから前記エンジン始動器モータに電気エネルギを供給するステップの前に、所定の期間遅らせるステップと、
電荷格納デバイスから前記エンジン始動器モータに電気エネルギを供給するステップと、
前記エンジンを始動するステップと、
前記エンジンが始動した後、前記電荷格納デバイスの端子電圧を監視するステップと、
前記電荷格納デバイスの前記端子電圧が所定のしきい値より小さいときに、前記電荷格納デバイスを充電するステップと、
を有することを特徴とするエンジン始動方法。
【請求項４２】
内燃機関エンジンと、
前記内燃機関エンジンと接続され、前記内燃機関エンジンを始動する動作が可能な電気始動器モータと、
電池と、
補助電荷格納デバイスと、
前記電池と前記電気始動器モータとの間の電気的な接続を入り切りする動作が可能な第１のスイッチと、
前記電気始動器モータと前記補助電荷格納デバイスとの間の電気的な接続を入り切りする動作が可能な第２のスイッチと、
前記補助電荷格納デバイスに関係する電圧に応じて前記補助電荷格納デバイスを充電するように構成される第１の制御回路と、
前記第１のスイッチが閉じるときを感知して、前記第２のスイッチが閉じる前に所定の遅延を提供するように構成される第２の制御回路と、
を有することを特徴とするエンジンを基礎としたシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、負荷に電力を供給する方法及びシステムに関する。より詳細には、補助電源から負荷に電力を供給する方法及びシステムに関する。
【発明の概要】
【０００２】
電池と、補助電荷格納デバイスと、電気始動器モータと、電池と電気始動器モータとの間の電気的接続を入り切りする働きをする第１のスイッチと、所定の遅延時間の後に電気始動器モータと補助電荷格納デバイスとの間の電気的接続を入り切りする働きをする第２のスイッチと、補助電荷格納デバイスの電圧に応じて補助電荷格納デバイスを充電するように構成される充電回路とを有するシステムが説明されている。
【０００３】
ダイオードを有する充電回路を有するシステムと、第２のスイッチを有し補助電荷格納デバイスの電圧が電池の電圧と実質的に等しくなるまで第２のスイッチを閉じた状態に維持するように構成された充電回路を有するシステムと、コンパレータを有する充電回路を有するシステムと、ヒステリシスを有する反転コンパレータを有する充電回路を有するシステムと、補助電荷格納デバイスの電圧を入力として受信するコンパレータを有する充電回路を有するシステムと、少なくとも１つのキャパシタを有する補助電荷格納デバイスを有するシステムと、少なくとも１つの電池を有する補助電荷格納デバイスを有するシステムとがさらに説明されている。
【０００４】
電池からエンジン始動器モータに電気エネルギを供給するステップと、電荷格納デバイスからエンジン始動器モータに電気エネルギを供給するステップと、エンジンを始動するステップと、エンジンが始動した後に電荷格納デバイスの端子電圧を監視するステップと、電荷格納デバイスの端子電圧が所定のしきい値より低いときに電荷格納デバイスを充電するステップとを有する方法が説明されている。
【０００５】
電荷格納デバイスを充電するステップは、ダイオードを介して電荷格納デバイスを充電するステップを有する方法と、電荷格納デバイスからエンジン始動器モータに電気エネルギを供給するステップは、電池からエンジン始動器モータに電気エネルギを供給した後に遅延時間をおいて電荷格納デバイスから電気エネルギを供給するステップを有する方法と、電荷格納デバイスからエンジン始動器モータに電気エネルギを供給するステップは、電池からエンジン始動器モータに電気エネルギを供給した後に、抵抗とキャパシタとの回路網によって決定される遅延時間を有して、電荷格納デバイスから電気エネルギを供給するステップを有する方法と、電荷格納デバイスを充電するステップは、電荷格納デバイスの端子電圧が電池の端子電圧の所定の範囲内に入るまで電荷格納デバイスを充電するステップを有する方法と、電池母線を介して電源を供給されるコイルを有する断路器接触器を使用して電荷格納デバイスを絶縁するステップを有する方法と、電池母線を介して電源が供給されるコイルを有する継電器と電荷格納デバイスを介して電源が供給されるコイルを有する断路器接触器とを使用して電荷格納デバイスを絶縁するステップを有する方法と、エンジンがアイドリングしている間、電荷格納デバイスの端子電圧を比較することによって完全に充電した状態に電荷格納デバイスを維持し、電池と電荷格納デバイスとの間の接点を閉じるために断路器接触器のコイルを励磁するステップを有する方法と、電荷格納デバイスからエンジン始動器モータに電気エネルギを供給するステップは、少なくとも１つのスーパキャパシタから電気エネルギを供給するステップを有する方法がさらに説明されている。
【０００６】
第１の電源から電流の第１の部分を供給するステップと、遅延時間の後に第２の電源から電流の第２の部分を供給するステップと、第２の電源の端子電圧がほぼ第１の電源の端子電圧より小さいときに、第２の電源を充電するステップとを有する方法が説明されている。
【０００７】
第１及び第２の電源は、遅延時間の後に電気的に並列に接続するステップを有する方法と、第２の電源の端子電圧を監視して、第１の電源の電圧と実質的に等しい電圧まで第１の電源によって第２の電源を充電するように、第１及び第２の電源を電気的に接続するステップを有する方法と、第２の電源の端子電圧を監視して、第２の電源の端子電圧が所定のしいき値よりも小さいときに第１の電源によって第２の電源を充電するように、第１及び第２の電源を電気的に接続するステップを有する方法と、電力は、第１の電源及び第２の電源の少なくとも１つから第１及び第２のスイッチをそれぞれ介してエンジン始動器モータに供給され、第２の電源を充電するステップは、第１のスイッチが開いた状態で第２のスイッチを介して第２の電源を充電するステップを有する方法がさらに説明されている。
【０００８】
補助電源と、電力を負荷に供給する電源出力母線との接続を制御するように構成された電源制御回路を有し、電源出力母線は、電力出力母線から負荷に電力の流れを開始するように構成された第１のスイッチを含む電源制御回路は、補助電源と電源出力母線とを電気的に接続するように構成される第２のスイッチと、電源出力母線から負荷に電力が流れ始めた所定の時間後に電源出力母線と補助電源が接続されるように第２のスイッチを制御するように構成され、さらに補助電源の端子電圧に基づいて補助電源を充電状態に維持するようにさらに構成される制御モジュールとを有するシステムが説明されている。
【０００９】
制御モジュールは、電力供給始動シーケンスの開始を示す初期信号を受信するように構成されるシステムと、初期信号は、第１のスイッチが閉じたことに基づくシステムと、制御モジュールは、第２のスイッチの動作を制御するために補助電源の端子電圧を感知するように構成されるシステムと、制御モジュールは、第２の電荷格納デバイスの電圧に基づいて電源出力母線から第２の電荷格納デバイスを充電するように構成されるシステムと、制御モジュールは、第２のスイッチと電気的に並列されたダイオードを有するシステムと、制御モジュールは、補助電源の端子電圧が電源出力母線の電圧と実質的に等しくなるまで、第２のスイッチを閉状態に維持するように構成されるシステムと、制御モジュールは、補助電源の端子電圧と調節された電源の出力電圧とを比較するように構成されるコンパレータを有するシステムと、コンパレータは、補助電源の端子電圧が調整された電源の出力電圧よりも低くなる場合に、第２のスイッチを閉じる信号を生成するように構成されるシステムと、補助電源は少なくとも１つのキャパシタを有するシステムと、補助電源は少なくとも１つの電池を有するシステムとがさらに説明されている。
【００１０】
内燃機関エンジンと、内燃機関エンジンを始動する電気始動器モータと、電池と、補助電荷格納デバイスと、電池と電気始動器モータとの間の電気的な接続を入り切りする動作が可能な第１のスイッチと、電気始動器モータと補助電荷格納デバイスとの間の電気的な接続を入り切りする動作が可能な第２のスイッチと、補助電荷格納デバイスの電圧に応じて補助電荷格納デバイスを充電するように構成される第１の制御回路と、第１のスイッチが閉じる時間と第２のスイッチが閉じる時間との間に所定の遅延時間を有し、第１のスイッチが閉じた後に第２のスイッチを閉じるように構成される第２の制御回路とを有するシステムが説明されている。
【００１１】
内燃機関エンジンから動力を供給される車両を有するシステムと、内燃機関エンジンから動力を供給される電力生成器を有するシステムと、補助電荷格納デバイスは、少なくとも１つのスーパキャパシタを有するシステムとがさらに説明されている。
【００１２】
主要蓄電手段と、補助蓄電手段と、エンジンの電気的始動手段と、補助蓄電手段に関する電圧に応じて補助蓄電手段を充電する手段と、主要蓄電手段とエンジンの電気的始動手段とが電気的に接続するときを感知する手段と、主要蓄電手段とエンジンの電気的始動手段とが電気的に接続したときを感知することに応じて所定の遅延を提供する手段と、所定の遅延の終了に応じて補助蓄電手段とエンジンの電気的始動手段とを電気的に接続する手段とを有するシステムが説明されている。
【００１３】
補助蓄電手段を充電する手段は、補助蓄電手段に関係する電圧が主要蓄電手段に関係する電圧と実質的に等しくなるまで、補助蓄電手段を充電する手段を有するシステムがさらに説明されている。また、補助蓄電手段を充電する手段は、補助蓄電手段に関係する電圧が入力として提供される電圧比較手段を有するシステムもさらに説明されている。
【００１４】
電池からエンジン始動器モータに電気エネルギを供給するステップと、電池からエンジン始動器モータに電気エネルギを供給した後、電荷格納デバイスからエンジン始動器モータに電気エネルギを供給する前に、所定の期間遅らせるステップと、電荷格納デバイスからエンジン始動器モータに電気エネルギを供給するステップと、エンジンを始動するステップと、エンジンが始動した後、電荷格納デバイスの端子電圧を監視するステップと、電荷格納デバイスの端子電圧が所定のしきい値よりも小さいときに、電荷格納デバイスを充電するステップとを有する方法が説明されている。
【００１５】
内燃機関エンジンと、内燃機関エンジンと接続され、内燃機関エンジンを始動する動作が可能な電気始動器モータと、電池と、補助電荷格納デバイスと、電池と電気始動器モータとの間の電気的な接続を入り切りする動作が可能な第１のスイッチと、電気始動器モータと補助電荷格納デバイスとの間の電気的な接続を入り切りする動作が可能な第２のスイッチと、補助電荷格納デバイスに関係する電圧に応じて補助電荷格納デバイスを充電するように構成される第１の制御回路と、第１のスイッチが閉じるときを感知して、第２のスイッチが閉じる前に所定の遅延を提供するように構成される第２の制御回路とを有するシステムが説明されている。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の典型的な実施形態に係るエンジン始動器システムの回路ブロックを概略的に示す図である。
【図２】本発明の典型的な実施形態に係るエンジン始動器システムの回路を概略的に示す図である。
【図３】本発明の典型的な実施形態に係るエンジン始動器回路を概略的に示す図である。
【図４】本発明の典型的な実施形態に係るスーパキャパシタ（supercapacitor）始動器モジュールの回路を概略的に示す図である。
【図５】本発明の典型的な実施形態に係る、スーパキャパシタの絶縁に関連する断路器制御モジュールのサブシステムの摘要の回路を概略的に示す図である。
【図６】本発明の典型的な実施形態に係る、スーパキャパシタと電池との絶縁に関連する断路器制御モジュールのサブシステムの摘要の回路を概略的に示す図である。
【図７】本発明の典型的な実施形態に係る、始動遅延にハイライトを当てた、スーパキャパシタ電圧及び電池母線電圧と時間との関係のグラフを示す図である。
【図８】本発明の典型的な実施形態に係る、再充電断路にハイライトを当てた、スーパキャパシタ電圧のグラフを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
ガソリン、ディーゼル、又は他の燃料によって動作するエンジンは、電気始動器モータを使用して始動できる。電気始動器モータは、電池など、蓄えられた電源によって一時的に動作できる。始動器モータは、エンジンが成功裡に始動するのに十分に長い時間に亘って動作できる。電池に加えて補助電源を使用して始動器モータに電力を供給できる。主要電源及び補助電源を組み合わせることによって、非常に低い温度条件においても車のエンジン、又は発電機などの他のエンジンを成功裡に始動するために必要な高い始動器モータ電流を供給できる。典型的な補助電源は、キャパシタとキャパシタのアレイとを有する。より具体的には、１つ以上の二重層電気化学キャパシタを補助電源として使用できる。このようなキャパシタは、スーパキャパシタとして公知である。
【００１８】
スーパキャパシタなどの補助電源は、始動イベントの間及びスーパキャパシタの再充電に要する時間以外は、主要電源から意図的に絶縁できる。このような絶縁により、エンジン又は車両の全ての動作時に亘ってスーパキャパシタを動作させるのではなく、エンジンの始動時のみスーパキャパシタを動作させることができる。
【００１９】
さらに、スーパキャパシタなどの補助電源は、始動イベントにおいて短い初期期間の間、主要電源から意図的に絶縁できる。このような絶縁は、始動遅延（start-up  delay）と見なすことができる。この短い初期始動遅延の間、補助電源を絶縁できるので、始動器モータは、主要電源のみから電力を供給できる。この遅延によって、始動器モータが始動するときに大きな電流量が始動器モータに供給されることを防止できる。始動器モータに供給する電流が初期に増加することを防止することにより、大電流が印加される前に始動器モータに使用されるギアを十分に係合できる。始動遅延なしに大電流が印加される場合、始動器モータが非常に急激に加速する可能性がある。この急激な加速と、これによる始動器モータに使われるギア間の速度の不一致とは、ギアが係合する際に機械的な損傷がギアに生じるのに十分に大きいものになる可能性がある。この現象は、ギアミリング、より具体的にはリングギアミリング（ring  gear  milling）といわれている。
【００２０】
ギアとギアミリングとが始動遅延との関係で論じられる一方、始動器モータ、始動器アクチュエータ、又は他の始動器機構からエンジンにエネルギを伝える他の係合手段又は伝達手段は、創案品により動作できる。例えば、ベルト、プーリ、ホイール、チェーン、スプロケット、カム、レバー、クラッチ、若しくは他の圧縮空気的な結合、水圧的な結合、摩擦的な結合、又は電磁的な結合の他にこれらの組合せとしてもよい。いずれの場合でも、補助電源の始動電流は、より緩やかな始動電流を提供できる。緩やかな始動電流により全ての始動電流が印加される前にシステム内の慣性力及び摩擦力を克服できる。
【００２１】
ここで、添付図面に示すように特定の典型的な実施形態が参照されることになる。本発明は、これらの典型的な実施形態と併せて説明することになるが、これらの実施形態に本発明を限定することを意図すると理解されることはない。むしろ、特許請求の範囲に規定された本発明の精神及び目的に含むことができる代替物、変更物、及び均等物に及ぶことを意図する。以下の記述では、本発明の完全な理解を提供するために多くの具体的な詳細が説明される。本発明は、これら具体的な詳細の一部又は全てを有することなく実施することが可能である。
【００２２】
ここで図１について検討すると、図１は、本発明の典型的な実施形態に係るエンジン始動器システム１００の回路ブロックを概略的に示す図である。始動器システム１００は、エンジン（図示せず）と機械的に結合する始動器モータ１０２を有することができる。始動器モータ１０２は、始動器モータ１０２で回転できるピニオンギアを有することができる。ピニオンギアは、エンジンに結合したリングギアと係合するように構成される。このような結合により、エンジンが始動する前にエンジンは、回転し始めることができる。エンジンが始動した後、ピニオンギアがリングギアから解放されるまでオーバランクラッチによりピニオンギアを空回りさせることができる。始動器モータ１０２は、始動器接触器１０４を介して電力が入力される。また、始動器接触器１０４は、ソレノイド又は継電器とも称することができる。接触器１０４は、始動器回路から電力が入力される。始動器回路は、有鍵の点火スイッチ、押しボタン始動スイッチ、制御論理及び／又は始動器継電器１０８を有することができる。
【００２３】
また、始動器システム１００は、スーパキャパシタ始動器モジュール１１０と蓄電池１１２とを有することができる。蓄電池１１２は、主要電源であり、スーパキャパシタモジュール１１０は、補助電源である。スーパキャパシタ始動器モジュール１１０と蓄電池１１２との双方は、電池母線１１３と接続できる。スーパキャパシタ始動器モジュール１１０は、断路器接触器１１４と断路器制御モジュール１１６とを有することができる。始動器システム１００は、始動器モータ１０２への電力供給、及びスーパキャパシタ１３２の再充電のための大電流を伝導するケーブルを有することができる。また、始動器システム１００は、十分に小さい電流を伝導するワイヤを有することができる。この低電流導体は、電圧信号情報、又は接触器の活性化電流レベルを搬送する。始動器システムは、大電流伝導送ケーブルの抵抗性を使用し、又は補償する。このようなケーブルは、車両を始動するシステムに必要な部品である。
【００２４】
動作の間、ユーザは、始動器継電器１０８の接点１１８を間接的に閉じることによってエンジンを始動し始める。このときに、電池母線の電圧は、断路器制御モジュール１１６と始動器接触器１０４の制御入力との双方に供給できる。ほぼ５０ミリ秒後に始動器接触器１０４の接点が閉じて、そのときに非常に大きな電流がケーブル１２０に流入して、始動器接触器１０４の接点を介した後に始動器モータ１０２に電力を供給する。この大電流によって電池１１２の正極１２２に大きな電圧降下が生じる。始動器継電器の接点１１８が閉じているで、電圧降下は、断路器制御モジュール１１６のノード１２４で感知できる。
【００２５】
断路器制御モジュール１１６は、始動器継電器の接点１１８が閉じると、約３０ミリ秒の始動遅延を開始することができる。始動器継電器の接点１１８を閉じることにより、電池１１２の電圧は、断路器制御モジュール１１６が電圧を感知できるノード１２４に現れる。始動遅延が終わると、断路器制御モジュール１１６は、断路器接触器１１４のコイル１２５に電力を供給できる。このコイルの電力は、断路器制御モジュール１１６の端子１２６及び１２８に現れる。断路器接触器１１４のコイル１２５に電力を供給してからほぼ５０ミリ秒後に、断路器接触器１１４の接点１３０を閉じることができる。断路器接触器１１４内部接点１３０が閉じることにより、スーパキャパシタ１３２から始動器モータ１０２に大電流を流すことができる。スーパキャパシタ１３２の電流は、始動器モータ１０２に供給される電力を補完する。スーパキャパシタ１３２の正極電圧は、断路器制御モジュール１１６のノード１３６で感知できる。スーパキャパシタ１３２から大電流が流れ始めると、スーパキャパシタ１３２の等価直列抵抗（ＥＳＲ）をスーパキャパシタ１３２の大電流が流れる。このため、ノード１３６の電圧が降下して、スーパキャパシタ１３２は、放電し始める。
【００２６】
スーパキャパシタ１３２から電流が流れると、ケーブル１２０上の様々な点における電圧は、上昇する可能性がある。この電圧上昇は、スーパキャパシタ１３２から供給された電圧上昇の結果とすることができる。このキャパシタによるこの援助は、始動器モータ１０２が動作を開始してからほぼ３０ミリ秒後に開始できる。この遅延によって、リングギアミリングを実質的に減少し、又は取り除くことができる。また、３０ミリ秒の遅延は、遅延がなくなるゼロ持続期間を含む他の持続期間にできる。
【００２７】
電気始動器モータ１０２は、ピニオンギアを有することができる。ピニオンギアの歯は、リングギアとかみ合うことができる。同様にリングギアは、エンジンと結合できる。ピニオンギアの歯がリングギアと係合したとき、始動器モータの回転は、エンジンをクランクで回転できる。ピニオンギアは、通常はリングギアから解放され、電気始動器モータのシャフトが回転し始めるときにのみリングギアと係合する。始動器モータの回転の初期動作によりピニオンギアは前に押し出されて、リングギアと係合できる。この係合は、通常ピニオンギアの回転速度が感知可能になる前に行われる。したがって、速度の差異により係合時にギアの歯に生じる機械的な衝撃は、機械的な損傷を生じるほどではなくできる。しかしながら、スーパキャパシタ１３２などの補助電源を主要電源と組み合わせて使用するときは、始動器モータ１０２に非常に大きな初期電流が供給される可能性がある。この大電流により始動器モータ１０２のシャフトに非常に大きな加速が生じ、その結果、ピニオンギアに非常に大きな加速が生じる可能性がある。リングギアとピニオンギアの速度の差異は、係合時にギアに機械的な損傷を生じるほどの大きさになる可能性がある。リングギアミリングとして知られるこの損傷は、第１の電源が最初に始動器モータに印加された後に少しの間、スーパキャパシタ１３２から始動器モータ１０２に流れる電流を利用することを遅らせることによって、実質的に減少させ、取り除くことができる。この少しの間は、例えば３０ミリ秒である。
【００２８】
エンジンが始動すると、ユーザは、始動器継電器の接点１１８を開いて始動器継電器１０８を非活性にできる。接触器１１８を開くことによって、ノード１２４を含む回路を開回路にできる。この時、ノード１３６で感知される電圧は、ほぼ継電器の接点１１８が開く直前の電圧レベルとできる。この電圧レベルは、スーパキャパシタ１３２に残るエネルギの量を示すことができるので、スーパキャパシタ１３２が放電したエネルギの量に関係する。
【００２９】
継電器の接点１１８を開いた後、断路器制御モジュール１１６は、断路器接触器１１４の係合を維持できる。この断路器制御モジュール１１６の係合は、ノード１３６の電圧が所定の値を下回っている間は、続けることができる。所定の値は、所与のシステムにおいてスーパキャパシタ１３２を完全に充電したと考えられる電圧である。したがって、スーパキャパシタ１３２が再充電されるまで、電流は、電池１１２の正極１２２からスーパキャパシタ１３２に流れることができる。なお、断路器制御モジュール１１６のノード１３７は、他の電圧レベルを感知するための基礎となる接地電位を感知する。
【００３０】
ノード１３６の電圧が所定の再充電値まで上昇すると、断路器制御モジュール１１６は、断路器接触器１１４を解放することができる。断路器接触器１１４を解放することにより、絶縁接点１３０を開くことができる。この時点で、新たに再充電されたスーパキャパシタ１３２は、電池母線１１３から絶縁することができる。
【００３１】
エンジンが長い間、不使用である場合は、スーパキャパシタ１３２は、自己放電することにより使用できないほど低い電圧になる可能性がある。阻止ダイオード１３８は、電池１１２からの電流を流し、スーパキャパシタ１３２の充電を維持できる。これにより、電池母線１１３の電圧とほぼ等しい電圧にスーパキャパシタ１３２の電圧を維持できる。
【００３２】
ここで図２について検討すると、図２は、本発明の典型的な実施形態に係る、より詳細に説明された断路器制御モジュール１１６を有するエンジン始動器システム１００の回路を概略的に示す図である。断路器制御モジュール１１６は、始動時間遅延を備え、リングギアミリングを減少できる。また、断路器制御モジュール１１６は、スーパキャパシタ１３２が所定の電圧に再充電されると、スーパキャパシタ１３２の電圧を感知できる。その所定の電圧が感知されると、断路器制御モジュール１１６は、電池母線１１３とスーパキャパシタ１３２とを絶縁する。
【００３３】
システムのとり得る状態の１つでは、始動スイッチは、オフ位置にして接点１１８を開くことができる。この状態では、断路器制御モジュール１１６は、スーパキャパシタ１３２を完全に充電することができる。完全に充電された状態では、スーパキャパシタ１３２の電圧と電池母線１１３の電圧とは、ほぼ等しくできる。
【００３４】
スーパキャパシタ１３２が充電されてノード１２４が開回路となると、トランジスタ２３６を導通状態にバイアスする印加電圧をなくすことができる。これにより、抵抗２３２は、トランジスタ２０４のゲート２４４をソース電圧に等しくでき、トランジスタ２０４は、オフできる。トランジスタ２０４をオフにできるので、トランジスタ２０４のドレイン２０６は、断路器接触器１１４のコイル抵抗を介して接地電位に落とすことができる。したがって、トランジスタ２１０のゲート２０８もまた接地でき、トランジスタ２１０は、オフにできる。トランジスタ２１０がオフすなわち非導通状態なので、トランジスタ２１４のゲート２１２は、スーパキャパシタ１３２の電圧と等しくできる。したがって、トランジスタ２１４は、オフにできる。トランジスタ２１４がオフ状態であることは、断路器接触器１１４のコイルが接地されることと一致すると考えることができる。
【００３５】
トランジスタ２１８のソース端子２１６は、完全に充電されたことを示すレベルにできるスーパキャパシタ１３２の端子電圧と接続される。トランジスタ２１８のゲート２２０は、ツェナダイオード２２２と抵抗２２４との動きに基づくことができる。トランジスタ２１８は、導通状態にできる。トランジスタ２１８を導通にすることにより、トランジスタ２２８のゲート２２６がバイアスされ、トランジスタ２２８がオンする。しかしながら、トランジスタ２２８のドレイン２３０は、絶縁接触１１４のコイルを介して接地できる。このため、この時点では、トランジスタ２２８及び２１８は、何の役割も果たさないようにすることができる。ツェナダイオード２２２は、抵抗２２４とトランジスタ２１８のゲート２２０とを介してバイアスされるが、ツェナ電圧は約９ボルトに選択されるので、スーパキャパシタ１３２の端子電圧よりも低い電圧レベルでバイアスできる。ここでスーパキャパシタ１３２の端子電圧は、完全に充電されていることを示すほぼ１３．５ボルトである。以下で説明するように、トランジスタ２１８の動きとダイオード２２２のツェナ電圧値とによって、再充電処理の間にスーパキャパシタ１３２が充電される電圧を決定できる。
【００３６】
始動器継電器１０８がオンになるとき、始動器接触器１０４のコイルが励磁されることによって、始動器接触器１０４の接点を閉じることができる。始動器接触器１０４の接点を閉じることによって、電池１１２の正極１２２から始動器モータ１０２に大電流を流すことができる。回転する始動器モータ１０２の負荷により、電池１１２の電圧を８ボルトに近い値に降下する可能性がある。断路器接触器１１４はオフのままなので、スーパキャパシタ１３２から始動器モータ１０２に電流を流すことができない。ほぼ８ボルトに降下する可能性がある電池母線１１３の初期電圧レベルは、始動器継電器１０８を介してノード１２４に印加でき、トランジスタ２０４のソース端子２０２と回路網抵抗２３２及び２３４と接続できる。当初は抵抗２４０を介してトランジスタ２３６のゲート２３８が接地されているので、トランジスタ２３６は、当初はオフにできる。抵抗２３４を介してトランジスタ２３６のゲート‐ソース間電圧のしきい値電圧までキャパシタ２４２が充電されたときに、トランジスタ２３６はオンし、トランジスタ２０４のゲート２４４を引き下げて、電池母線１１３に印加された電圧を下回るようできる。したがって、トランジスタ２０４はオンでき、スーパキャパシタの端子ノード１３６の電圧を断路器接触器１１４のコイルに印加できる。断路器接触器１１４のコイルに電圧を印加することにより、絶縁接点１３０を動作できる。絶縁接点１３０が閉じるのに付随する遅延時間の後、スーパキャパシタ１３２は、電池母線及び始動回路と電気的に接続できる。
【００３７】
スーパキャパシタ１３２と接続することによって、電池母線１１３の電圧をほぼ１０、１１ボルトまで上昇できる。抵抗２３４とキャパシタ２４２とに関係する時定数によって決定されるスーパキャパシタ１３２の接続遅延は、リングギアメリングを実質的に減少し、取り除くことができる。
【００３８】
通常は、ユーザは、エンジンが始動するまで始動スイッチを保持できる。すなわち、接点を閉状態に維持できる。この後、接点１１８が開くとき、トランジスタ２１４がオンのままラッチできるので、断路器接触器１１４は、動作を維持できる。スーパキャパシタ１３２の電圧が降下してトランジスタ２１８がオフしたときに、このラッチは、生じることができる。これは、接点１３０が閉じるときに生じることができる。
【００３９】
トランジスタ２１４のラッチは、トランジスタ２１０、２２８、及び２１８の相互作用を詳細に調べることによって理解できる。トランジスタ２０４がオンしたときに、スーパキャパシタの端子ノード１３６の電圧は、トランジスタ２１４のドレイン２４６に印加でき、これによりトランジスタ２１０のゲート２０８を正電圧にバイアスできる。この正電圧は、トランジスタ２１０のゲート‐ドレイン間のしきい値電圧よりも大きくできる。しかしながら、トランジスタ２２８は、ゲート２０８を接地電位に落とし、トランジスタ２１０をオフ状態に保つ。トランジスタ２１０をオンできるまで、トランジスタ２１４はオフのままである。トランジスタ２１８がオフになる動作によってトランジスタ２２８がオフになるときに、トランジスタ２１４はオンできる。接点１３０が閉じてスーパキャパシタ１３２の電圧が降下したときにトランジスタ２１８はオフできる。そしてトランジスタ２１４のゲート２１２が接地電位に落ちてトランジスタ２１４がオンすることにより、トランジスタ２１０はオンできる。始動スイッチが開いてノード１２４が開回路となり接点１１８が開いた場合でも、トランジスタ２１０、２２８及び２１８の動作により、トランジスタ２１４のオンにラッチされたままである。
【００４０】
始動スイッチがオフしたとき、接点１１８は開くことができ、トランジスタ２０４はオフ状態に戻る。断路器接触器１１４は、先に説明したトランジスタ２１４及び２２８からなるラッチの間、動作し続ける。
【００４１】
スーパキャパシタ１３２が再充電されると、スーパキャパシタ１３２の電圧は上昇できる。その一方、トランジスタ２１８は、ソース端子が印加されたこの電圧を有するにも関わらず、オフのままにできる。この電圧は、最初はほぼ８ボルトにできるが、スーパキャパシタ１３２による放電の程度に依存する。ツェナダイオード２２２の電圧がこの値より大きいので導通電流はないので、トランジスタ２１８のゲート２２０は、ソース２１６の電圧と等しくでき、トランジスタ２１８はオフのままにできる。トランジスタ２１８がオフなので、トランジスタ２２８はオフのままにでき、トランジスタ２１４は、オンすなわち導通を続けることができる。
【００４２】
接点１３０は、以下のように開くことができる。スーパキャパシタの端子ノード１３６の電圧がツェナダイオード２２２のツェナ電圧を所定の量だけ超えて上昇すると、抵抗２２４を介して流れる次の電流は、ゲート２２０をバイアスしてトランジスタ２１８をオンする。そしてトランジスタ２１８のソース電圧は、トランジスタ２２８のゲート２２６に印加でき、トランジスタ２２８をオンする。オンしたトランジスタ２２８は、トランジスタ２１０のゲート２０８を接地することができ、トランジスタ２１０をオフする。トランジスタ２１０がオフすると、トランジスタ２１４のゲート２１２は、ソース電圧まで上昇してトランジスタ２１４をオフできる。トランジスタ２１４がオフすると、断路器接触器１１４の電圧がなくなり接点１３０が開く。さらに、トランジスタ２２８のソース端子２４８の電圧がなくなりトランジスタ２２８はオフを維持する。
【００４３】
トランジスタ２０４の内蔵ダイオード２５２を介するパスがあるため、ダイオード２５０を使用して始動回路と電池母線１１３電圧とを絶縁できる。ダイオード２５４を使用して、断路器接触器１１４のコイル１２５をオフすることにより生じる逆電圧のスパイクをクランプできる。
【００４４】
ここで図３について検討すると、図３は、本発明の典型的な実施形態に係るエンジン始動器回路３００の回路を概略的に示す図である。始動器継電器１０８が係合したときのみ動作する図２に示された始動器回路と比較すると、この始動器回路３００は、始動器継電器１０８の状態に関わらず動作してスーパキャパシタ１３２を再充電できる。
【００４５】
回路３００は、互いに独立して動作するが双方ともに断路器接触器１１４を動作させる２つの回路を有する。第１の回路３０１は、トランジスタ３０２と、トランジスタ３０４と、バイアス抵抗３０８、３０６、及び３１０と、キャパシタ３１２と、関連したトランジスタ３０２と、トランジスタ３０４と、ノード３１４とを有する。第２の回路３１６は、トランジスタ３１８と、トランジスタ３２０と、コンパレータ３２２と、電圧調整器３２４と、バイアス抵抗３２６、３２８、３３０、３３２、３３４、３３６、３３８及び３４０と、キャパシタ３４２、３４４及び３４６と、ノード３４８とを有する。
【００４６】
まずスーパキャパシタ１３２を完全に充電した状態を考えると、始動器回路３００は、以下のように動作できる。ノード３１４が開回路である（始動スイッチが開かれている）と、トランジスタ３０２及び３０４は、ノード１２６及び１２８において断路器接触器１１４のコイル１２５を動作できない。しかしながら、第２の回路３１６は、ノード１３４での接続に依存せず、スーパキャパシタ１３２の端子電圧であるノード３４８の電圧レベルにのみ依存できる。スーパキャパシタ１３２の端子電圧が所定のレベル以下に降下すると、第２の回路３１６は、トランジスタ３１８がオンすることによって、断路器接触器１１４を動作させる。スーパキャパシタ１３２を再充電してノード３４８の電圧レベルが所定の完全に充電されたレベルに戻ると、トランジスタ３１８はオフできる。
【００４７】
始動スイッチの状態に関係なく、断路器接触器１１４は、コンパレータ３２２によって動作できる。スーパキャパシタ１３２の端子電圧は、抵抗３２８及び３３２によって形成される電圧分配器回路網をバイアスできる。ノード３５０の電圧が降下して所定の値を下回ると、コンパレータ３２２の反転入力端子３５２の電圧が降下して、コンパレータ３２２の非反転入力３５４の電圧を下回る。コンパレータ３２２のこの入力状態によりコンパレータ３２２の出力端子３５６はハイ（high）になり、同じくトランジスタ３２０がオンするようにゲート３５８はバイアスでき、トランジスタ３１８のゲート３６０はバイアスされ、トランジスタ３１８はオンする。電圧は、トランジスタ３１８を介してノード１２６と導通でき、断路器接触器１１４を動作させて接点１３０を閉じることができる。接点１３０が閉じると、電池１１２からの電流は、スーパキャパシタ１３２に流入して再充電できる。
【００４８】
スーパキャパシタ１３２を再充電することによって、コンパレータ３２２の反転入力端子３５２の電圧がコンパレータ３２２の非反転入力端子３５４の電圧を超えるまでノード３４８の電圧を上昇させることができる。このとき、コンパレータ３２２の出力端子３５６はロー（low）に切り替わり、トランジスタ３１８をオフできる。この結果、断路器接触器１１４のコイル１２５はオフし、スーパキャパシタ１３２を電池母線１１３から断路できる。
【００４９】
始動器継電器１０８が動作して、続く始動イベントでスーパキャパシタ１３２の放電が生じた場合は、第２の回路３１６は、先に説明したように動作できる。さらに、始動器継電器がオフのままでもスーパキャパシタ１３２の自己放電によりコンパレータ３２２が動作する。
【００５０】
始動器継電器１０８がオンになると、始動器接触器１０４のコイルが励磁され、始動器接触器１０４の接点を閉じることができる。電池１１２の正極１２２から始動器モータ１０２に大電流を流すことができる。電池電圧は、約８ボルトの値まで降下する。断路器接触器１１４はオフのままなので、スーパキャパシタ１３２から電流は流れない。スーパキャパシタ１３２の端子電圧は、始動器継電器１０８を介してノード３４８に印加でき、トランジスタ３０２のソース３６２と回路網抵抗３０６及び３０８とを導通できる。電池母線電圧１１３がノード３１４を介して印加される前はトランジスタ３０４のゲート３６４は抵抗３１０を介して当初は接地電位であるため、トランジスタ３０４は、当初はオフにできる。キャパシタ３１２が抵抗３０８を介してトランジスタ３０４のゲート‐ソース間のしきい値電圧に充電され、トランジスタ３０４がオンするときに、トランジスタ３０２のゲート３６６は、スーパキャパシタ１３２の端子電圧の印加される電圧を下回ることができる。これにより、トランジスタ３０２はオンして、スーパキャパシタ１３２の端子電圧は、断路器接触器１１４のコイル１２５に印加でき、次に断路器接点１３０を動作させる。断路器接点１３０の閉動作に関する遅延の後にスーパキャパシタ１３２は、電池母線１１３及び始動回路と電気的に接続できる。
【００５１】
スーパキャパシタ１３２を接続することによって、電池母線１１３の電圧をほぼ１０、１１ボルトまで上昇できる。スーパキャパシタ１３２の接続遅延は、抵抗３０８とキャパシタ３１２とに関係する時定数で決定されるが、リングギアミリングを実質的に減少し、取り除くことができる。
【００５２】
コンパレータ３２２は、始動回路にヒステリシス効果を提供できる。断路器接触器が係合するスーパキャパシタ１３２の端子電圧値は、断路器接触器がオフになった電圧値よりも低い値にできる。コンパレータ３２２は、電圧調整器３２４から電源電圧を得ることができる。電圧調整器３２４は、５ボルトの調整器などにできる。電圧調整器３２４に入力する電圧は、スーパキャパシタ１３２の電圧であるノード３４８から供給できる。電圧調整器３２４は、安定供給母線３４９に比較的安定した電圧を供給できる。安定供給母線３４９は、コンパレータ３２２の次の動作の参照用に使用できる。
【００５３】
ノード３５０の電圧は、スーパキャパシタ１３２の端子電圧に関連でき、コンパレータ３２２の反転入力３５２に接続される。コンパレータ３２２は、ノード３５０の電圧とコンパレータ３２２の非反転入力３５４とを比較できる。非反転入力３５４の電圧値は、２つの電圧の重ね合わせにできる。第１の重ね合わせ電圧は、端子３６８においてコンパレータ３２２の電源電圧から得ることができる。第２の重ね合わせ電圧は、出力端子３５６においてコンパレータ３２２の出力電圧から得ることができる。電圧調整器で調整されるため、ノード３６８におけるコンパレータ３６８の電源電圧は、回路の動作を通じて一定に維持できる。したがって、非反転入力３５４は、出力端子３５６におけるコンパレータ３２２の出力電圧の変化につれて変化する。
【００５４】
このため、非反転入力３５４の電圧は、２つの値をとることができる。１つは、コンパレータ３２２のオン状態の値であり、１つは、コンパレータ３２２のオフ状態の値である。コンパレータ３２２の出力電圧がゼロのとき、非反転入力３５４の電圧は２つの値の低い方の値になる。この場合、コンパレータ３２２が状態を変化できるスーパキャパシタ１３２の端子電圧値は、２つの値の低い方の値になる。コンパレータ３２２の状態を変化することにより、断路器接触器１１４をオンでき、スーパキャパシタ１３２を再充電できる。
【００５５】
コンパレータ３２２の出力電圧がハイのとき、すなわち、実質的に電源電圧の値と等しいとき、非反転入力３５４の電圧は、２つの値の高い方の値をとることができる。この場合、コンパレータ３２２の状態を変化させるスーパキャパシタ１３２の端子電圧値は、２つの値の高い方の値にできる。したがって、コンパレータ３２２の状態が変化することによって、断路器接触器１１４をオフにでき、スーパキャパシタ１３２の再充電を終了できる。
【００５６】
断路器接触器１１４がオフになったとき、スーパキャパシタ１３２の端子電圧は、コンパレータ３２２が断路器接触器１１４をオンする前は、２つの状態の変化の電圧値の低い方の値に降下できる。断路器接触器１１４がオンしたとき、スーパキャパシタ１３２の端子電圧は、コンパレータ３２２が断路器接触器１１４をオフさせる前に、２つの状態の変化の電圧値の高い方に上昇できる。これらの２つの状態の変化の電圧値は、抵抗３２８、３３２、３３８、３４０、３３４、及び３３６とともに調整供給母線３４９の値及びスーパキャパシタ１３２を完全に充電したときの電圧とを選択することによって決定できる。
【００５７】
コンパレータ３２２を含む回路は、ヒステリシスを有する反転コンパレータと考えることができる。状態の変化が生じる、２つの入力端子電圧の所定の値の間の差異は、ヒステリシス幅と考えることができる。ヒステリシス幅の中央は、２つの所定の電圧値を平均することによって概算できる。ヒステリシス幅の中央は、抵抗３３８及び３４０の値とともに調整供給母線３４９の値とにより決定できる。
【００５８】
抵抗３３８が２０ｋΩであり、抵抗３４０が１０ｋΩであり、抵抗３３４が５０ｋΩであり、抵抗３３６が１０００ｋΩであり、そしてノード３４９における調整された供給電圧が５ボルトである典型的な実施形態では、ヒステリシス幅の中央は、３．２８９ボルトに決定できる。ヒステリシス幅は、０．２６８ボルトに計算できる。したがって、状態の変化の高い方の値は、３．４２３ボルトにでき、低い方の値は、３．１５５ボルトにできる。抵抗３２８及び３３２は、これら状態の変化の値が比較されるスーパキャパシタ１３２の電圧を分け合うことができる。電圧の分割比は、例えば０．２６３とできる。この比率で状態の変化の値を分けると、電圧値は、それぞれ１３．０ボルト及び１２．０ボルトとできる。しがたって、スーパキャパシタの電圧が１２．０ボルト以下に降下すると、回路は、すぐにスーパキャパシタ１３２を再充電できる。スーパキャパシタ１３２の電圧が１３．０ボルト以上に上昇すると、回路は、すぐにスーパキャパシタ１３２の再充電を止めることができる。したがって、始動回路３００は、オプションのダイオード１３８を必要とせずに、スーパキャパシタ１３２の充電を自動的に維持できる。
【００５９】
ここで図４について検討すると、図４は、本発明の典型的な実施形態に係るスーパキャパシタ始動器モジュール１１０を概略的に示す図である。断路器接触器１１４のコイル１２５は、電池母線１１３の電圧ではなく、スーパキャパシタ１３２の電圧から電源を供給できる。継電器４０２は、ノード１２６及び１２８によって動作でき、ノード１２６及び１２８は、次に断路器接触器１１４を動作する。断路器接触器１１４のコイル１２５は通常、動作するための所定の最小電圧レベル及び電流レベルを必要とすることができる。このような最低電圧レベル及び最低電流レベルは、電池母線１１２が始動器モータ１０２と係合したときに大きな電圧低下が生じるため、電池母線１１３から得ることはできない。継電器４０２は、始動イベントの間に大きな電圧低下を電池１１２に生じたときでも電池母線１１３の電圧で問題なく動作する比較的低い電力要件を有するように選択できる。また、継電器４０２は、オープンコレクタトランジスタスイッチや、ソリッドステート継電器などの低電力スイッチを有することができる。
【００６０】
始動器の絶縁モジュールは、充電されたスーパキャパシタモジュールと電池母線１１３とを当初は絶縁して、充電されたスーパキャパシタ１３２に電池から大きな電流が流れる始動期間と始動後の少しの期間とのみ母線と接続できる。また、スーパキャパシタ１３２は、始動イベントと関係なく、スーパキャパシタ１３２の再充電が必要なときはすぐに、電池母線１１３と接続できる。始動イベントの間、スーパキャパシタ１３２と電池母線１１３との接続は、リングギアミリングを防止するための短い遅延の後に行うことができる。スーパキャパシタ１３２と電池母線１１３との断路は、始動絶縁モジュールの内部の設計パラメータによって決定される最終電圧にスーパキャパシタ１３２の電圧が到達するときに、行うことができる。スーパキャパシタ１３２と電池母線１１３とを断路した後に、図１で先に示したようにオプションダイオードを介して次の再充電電流を送り続けることができる。
【００６１】
ここで図５について検討すると、図５は、本発明の典型的な実施形態に係る、スーパキャパシタを絶縁する断路器制御モジュール１１６のサブシステムのブロックを概略的に示す図である。断路器制御モジュール１１６は、機能的には２つのサブシステムを有すると考えることができる。第１のサブシステムは、再充電・断路回路５１０である。再充電・断路回路５１０は、スーパキャパシタ１３２が完全に充電されたときにスーパキャパシタ１３２と電池１１２とを絶縁する機能を有することができる。第２のサブシステムは、接続・遅延回路５２０である。接続・遅延回路５２０は、始動イベントの開始時における短い期間の間、スーパキャパシタ１３２と電池１１２とを絶縁する機能を有することができる。先に説明したように、この短い始動遅延はリングギアミリングを実質的に減少し、取り除くことができる。例えば始動遅延は３０ミリ秒にできる。
【００６２】
断路器制御モジュール１１６は、５つの端子ノード１２４、１３６、１２６、１２８及び１３７を介して始動回路５００の他の素子とインタフェースできる。断路器制御モジュール１１６は、端子１３７を介して接地リファレンス電位と接続できる。断路器制御モジュール１１６は、端子１２４を介して始動器継電器１０８が閉じてエンジンが始動したときに電池の電圧を感知できる。断路器制御モジュール１１６は、端子１３６を介してスーパキャパシタ１３２の電圧を感知できる。断路器制御モジュール１１６は、端子１２６及び１２８を介して断路器接触器１１４のコイルを励磁できる。断路器接触器１１４は、電池１１２と並列にスーパキャパシタ１３２を接続及び断路して、始動イベントの間、始動器接触器１０４を介して始動器モータに供給される電流を高めることができる。
【００６３】
ここで図６について検討すると、図６は、本発明の典型的な実施形態に係る、電池１１２を絶縁する断路器制御モジュール１１６のサブシステムのブロックを概略的に示す図である。始動回路６００は、図５に示した始動回路５００とほぼ同一である。１つの相違は、スーパキャパシタ１３２と電池との役割が回路５００と回路６００との間で逆転することが可能なことである。具体的には、回路６００では、スーパキャパシタ１３２は常に始動接触器１０４と接続できる一方、電池１１２は、断路器接触器１１４によって絶縁される。当業者は、本発明を使用して本発明の目的及び精神を逸脱することなく、主要電源と補助電源のいずれか一方を絶縁できることを理解することになる。
【００６４】
ここで図７について検討すると、図７は、図本発明の典型的な実施形態に係る、始動遅延にハイライトを当てた、スーパキャパシタ１３２の電圧及び電池母線１１３の電圧と時間との関係のグラフを示す図である。グラフ７００は、時間の単位で目盛りが付されたＸ軸と電圧の単位で目盛りが付されたＹ軸とを有する。グラフ７００は、時間に対するスーパキャパシタ１３２の電圧を示す線７２０と、時間に対する電池１１３の電圧を示す線７１０とを有する。
【００６５】
ゼロミリ秒時間の前の初期状態では、接点１１８が開き、断路器制御モジュール１１６が電池母線１１３の電圧とほぼ等しいスーパキャパシタ１３２の完全な充電を形成するように、始動スイッチは、オフの位置にできる。したがって、ゼロ時間より前では、２つの電圧レベルはほぼ等しい。
【００６６】
始動器継電器１０８がゼロミリ秒でオンすると、始動器接触器１０４のコイルは励磁され、始動器接触器１０４の接点は閉じる。電池１１２から始動器モータ１０２に大電流が流れる。電池電圧の線７１０は、６、７ボルトの近辺まで降下する。断路器接触器１１４はオフのままなので、スーパキャパシタ１３２から電流は流れない。したがって、スーパキャパシタ１３２の電圧の線７２０は、ゼロ時間では変化しない。約３０ミリ秒の短い始動遅延の後、スーパキャパシタ１３２は、電池母線１１３と電気的に接続される。ほぼ３０ミリ秒の時間において、スーパキャパシタ１３２が電池１１２と接続することで、スーパキャパシタ１３２の電圧の線７２０は、急上昇する。この急上昇の後に、電池母線１１３の線７１０が約３ボルト押し上げられることで、線７２０は、スーパキャパシタ１３２の電圧ドロップを示す。この押し上げは、スーパキャパシタ１３２が始動イベントに追加の電流を供給することによるものである。遅延を有する電圧の押し下げによる予期しない機能的な有用性及び費用的な有用性が、グラフ７００に示されたテストデータから理解できる。スーパキャパシタ１３２を接続するときに短い始動遅延は、リングギアミリングを実質的に取り除き、減少することができる。
【００６７】
ここで図８について検討すると、図８は、本発明の典型的な実施形態に係る再充電・断路にハイライトを当てた、スーパキャパシタ電圧のグラフを示す図である。グラフ８００は、時間の単位の目盛りが付されたＸ軸と電圧の単位の目盛りが付されたＹ軸とを有する。グラフ８００は、スーパキャパシタ１３２の電圧を示す線８１０を有する。グラフ８００は、断路器接触器１１４の接極子の線８２０（相対的な単位のみ示される）を有する。
【００６８】
ゼロ時間より前では、スーパキャパシタ１３２は完全に充電され、例えば約１２、１３ボルトに位置する。ほぼゼロ時間では、スーパキャパシタ１３２は、約２、３秒動作して始動イベントを押し上げる。この期間の間、スーパキャパシタ１３２は、部分的に放電される。ゼロ時間と約２、３秒の間の線８１０のドロップは、始動イベントの間のこの部分的な放電を示す。約２、３秒の時間で始動器継電器１０８は解放され、スーパキャパシタ１３２は再充電し始める。この再充電は、スーパキャパシタ１３２が所定の電圧に到達するまで続ける。ここで、この電圧は、約１２、１３ボルトであり、約１３秒で達成される。ここで、スーパキャパシタ１３２の充電は終了し、約１３秒で断路器接触器の接極子の電力が落ちることによって、線８２０に示すようにスーパキャパシタ１３２は、解放される。
【００６９】
上述の１つ以上の電力供給特性を同時に利用して補助電源すなわちスーパキャパシタを完全に充電した状態に維持し、また主要電源の負荷への電力供給の利用とスーパキャパシタからの電力との間の遅延時間を提供することが理解できる。すなわち、充電方法は、ダイオード、充電回路、及びコンパレータとの組合せによって実現できる。
【００７０】
典型的な実施形態では、この電源は、内燃機関のエンジン始動器モータを負荷として説明される。しかしながら、本明細書で説明される電源の概念は、負荷への電源供給を開始した後にある期間遅れて完全な電源供給を開始する高エネルギシステムなどの他の種類の電源システム及び他の種類の負荷に使用できることが理解できる。
【００７１】
本発明は、様々な特定の実施形態の観点から説明されているが、当業者は、本発明は特許請求の範囲の精神及び目的の中で修正を行うことができることを理解することになる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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