用于机动车辆的微混合设备的嵌入式装置以及包括该嵌入式装置的微混合设备

本发明是在汽车领域的有利应用。它涉及用于机动车辆的微混合设备 (micro-hybrid device)的嵌入式装置(built-in equipment)，其中电力存储器 (power store)、AC/DC转换器和DC/DC转换器集成在单个壳体中。如本发 明所提出的在单个壳体中结合不同的电子和电工器件是为了降低体积和成 本并改善这些器件的整体在机动车辆中的可靠性。

为了降低机动车辆中的燃料消耗，以及由此降低它们产生的污染，使车 辆配备有允许再生制动(regenerative braking)的微混合起动器交流发电机设 备(micro-hybrid starter alternator device)是已知的。

在现有技术中，上述类型的微混合设备包括机械上独立的电子器件。通 常，这样的器件是可逆旋转电机、可逆AC/DC转换器、超级电容器组(pack) 和可逆DC/DC电压转换器。

微混合设备通过DC/DC电压转换器连接到车辆的供电网络的动力电池 组。

起动器交流发电机用作用于热机的起动器和交流发电机。

在交流发电机模式下，车辆的热机的轴驱动电机的转子以在定子中产生 电流并为机动车辆的车载网络供电。

上述现有技术的微混合设备的器件的结构具有不利之处。由机械上独立 的器件制造的微混合设备实际上需要这些器件经由相对较长的线路连接到 一起。将AC/DC转换器连接到旋转电机、DC/DC转换器和超级电容器组的 线路的长度不利于克服存在于微混合设备中的热学和电学问题。

在机动车辆的发动机舱这样受限空间中，这种类型的结构难以结合到任 何类型的车辆中，特别是由于某些器件相对较大，譬如超级电容器。此外， 需要相对复杂的连接，其不利于实现高可靠性；连接可能更加复杂因为超级 电容器必须配备有电压平衡装置以实现超级电容器组更好的可靠性并平衡 超级电容器组的每个电池(cell)的端子处的电压。

此外，这种类型的常规现有技术结构的总成本很高。

本发明克服了上述常规结构所带来的这些问题。

在第一方面，本发明提供了一种用于机动车辆的微混合设备的嵌入式装 置，该嵌入式装置可以电连接到所述微混合设备的操作器件，并包括设置有 电压平衡装置的超级电容器组和电子电路。

根据本发明，该嵌入式装置包括壳体，该壳体包括第一隔间和第二隔间， 其中所述超级电容器组容纳在第一隔间中，所述电压平衡装置和电子电路容 纳在第二隔间中。

该新型结构有助于微混合设备集成到任意类型的机动车辆中，并减小它 的成本、它的体积且改善可靠性。

用于本发明的微混合设备的该新型结构导致被耗散电力的减少，以及这 种系统的尺寸和成本的降低，同时简化了电力管理到其它系统的集成。

此外，由于每单位表面积的被耗散电力非常低，本发明实现了更高效的 热管理。

将超级电容器组和AC/DC转换器集成到本发明的装置中意味着当旋转 电机在交流发电机模式中工作时来自AC/DC转换器的电压波动被降低。这 还意味着可以省掉现有技术中使用的某些电磁兼容性标准测试，这些测试仅 用于独立器件。

将超级电容器组和DC/DC转换器集成到本发明的装置中意味着配线中 的电压降可以被降低。实际上，当电压降发生时，超级电容器组放出储存的 电力同时旋转电机在交流发电机模式中工作。

此外，与微混合设备相关联的器件将它们所传递的能量的一部分作为热 量消耗，热量在这些器件和配线中产生了局部加热。为了克服这个问题，本 发明使用了放置在嵌入式装置壳体上的散热器。还提出可以为嵌入式装置设 置冷却系统以防止因为器件和配线中的过高温度引起的崩溃。

根据本发明在其优选实施例中的补充特征，器件被布置在嵌入式装置的 壳体中，以致它们提高了散热效率和器件及配线的冷却。

本发明的嵌入式装置有利地具有常规电池组的物理尺寸。由此它可以放 置在动力电池组的位置中，而动力电池组在这种情况下可以放置在机动车辆 中任意其它热兼容的位置，譬如行李箱(boot)或驾驶员座下。

本发明还有利地具有下列特征中的一个或多个：

-超级电容器组包括多个超级电容器电池且电压平衡装置包括连接到 该多个超级电容器电池的端子的多个电压平衡单元；

-电压平衡单元的每个都包括电压限制装置，该电压限制装置用来将各 自的超级电容器电池的充电电压限制到预定值；

-电压限制装置连接到各自的超级电容器电池的端子；

-超级电容器电池串联地电安装；

-超级电容器电池是布置为彼此平行的细长电池；

-电池沿一个方向然后沿另一方向交替地取向，以向壳体的一面展示出 相反的电极；

-电池是细长的，且它们的最大尺度取向为平行于在壳体中分隔第一和 第二隔间的壁的平面；

-电子电路包括DC/DC转换器，其可以连接到机动车辆的配电网络的 电源电池组(electric power battery)；

-电子电路包括用于控制DC/DC转换器的电子板；

-电子电路包括AC/DC转换器，其可以连接到微混合设备的旋转电机；

-电子电路包括用于控制AC/DC转换器的电子板；

-第一隔间和第二隔间通过热绝缘壁来分隔；

-冷却装置被设置用于壳体的第一和第二隔间中的一个和/或另一个；

-冷却装置包括至少一个风扇，所述风扇联接到管以确保冷却流体通过 第一隔间的强制循环；

-冷却装置包括散热器，其增大了用于通过壳体的第二隔间的外壁热交 换的表面积。

根据另一方面，本发明还涉及一种用于机动车辆的微混合设备，其包括 旋转电机和如前述的嵌入式装置，该旋转电机机械地联接到车辆的热机，嵌 入式装置一方面可电连接到旋转电机，另一方面可电连接到车辆的电源电池 组。显然，根据本发明，旋转电机有利地是起动器交流发电机。

本发明还涉及设置有上述微混合设备的机动车辆。

本发明的其它特征和优点在随后参考附图以便理解的详细说明之后变 得更加明显，在附图中：

图1是用于现有技术的起动器交流发电机微混合设备的结构的示意图；

图2示出了实施根据本发明的微混合设备的实施例的操作装置；

图3是本发明的嵌入式装置的分解透视图；

图4示出了本发明的嵌入式装置的截面图；

图5示出了本发明的嵌入式装置的更详细的透视图，其中示出了连接的 布置；

图6A和6B示出了包括在本发明的嵌入式装置中的电压平衡装置的两 个实施例的示意图。

现有技术的起动器交流发电机(starter alternator)微混合设备的各种器 件的当前布线结构体积庞大而且昂贵。图1示出了这样的构造的一个例子。 在图1的例子中，起动器交流发电机微混合设备包括电连接到可逆旋转电机 11的多相电压AC/DC转换器12。

(AC/DC)转换器12是可逆电压转换器。

当旋转电机11在起动器模式下运行以便起动车辆的热机10时，AC/DC 转换器12以这样的方式工作，以致它将来自车辆的电力/能源存储装置的直 流电压转换为多相电压，更具体地说在图1的实施例中为三相电压。该多相 电压用于驱动旋转电机11。

当旋转电机11在交流发电机模式下运行时，更具体地说在正常的交流 发电机模式或在具有再生制动的交流发电机模式下，AC/DC转换器12运行 以便将由电机11供应的多相电压转换为直流电压，该直流电压被用于向车 辆的配电网络供电以及给车辆的电力/能源存储装置充电。

从图1中可以看出，AC/DC转换器12以常规方式连接到构成电力存储 装置的超级电容器组14。

AC/DC转换器12还连接到可逆DC/DC电压转换器13。该DC/DC转换 器13连接在超级电容器组14和动力电池组(power battery)16之间。DC/DC 转换器13允许电能在超级电容器组14和动力电池组16之间的双向传递。

在设置有双电压配电网络的车辆中，高浮动直流电压网络可以由存在于 超级电容器组23的端子处的电压供电。供应到该浮动直流电压网络的能量 于是可以通过AC/DC转换器22从超级电容器组23、从用作交流发电机的 电机21获得或通过用作电压升高(step-up)设备的DC/DC转换器24从动 力电池组26获得。

图2示出了本发明的起动器交流发电机微混合设备的示意图。该图2的 起动器交流发电机微混合设备包括本发明的嵌入式装置2，该嵌入式装置容 纳在壳体20中，其20介入在旋转电机21和动力电池组26之间。可逆旋转 电机21一般为三相同步电机。

本发明中使用的“动力电池组26”的概念意欲包括形成可再充电的电能 存储器的任意设备，至少在该设备的非零充电状态下可以在设备端子处获得 非零电压。该电池组26可经由嵌入式装置2被电机21供电。该电池组26 可以向电或电子消耗器件供电。机动车辆中一般的电或电子消耗器件为前照 灯、收音机、空调、挡风玻璃刮水器等等。

嵌入式装置2主要包括可逆AC/DC电压转换器22、超级电容器组23 和可逆DC/DC转换器24。

AC/DC转换器22、超级电容器组23和DC/DC转换器24连接到嵌入式 装置2的直流内部总线(direct internal bus)28。

从图2中还可以看出，还设置有以块25的形式示意性地示出的电压平 衡装置，以便平衡在组23的各超级电容器之间的充电电压。电压平衡装置 通过平衡在超级电容器组的每个电池的端子处的电压来确保超级电容器组 更好的可靠性。这些电压平衡装置通过降低各电池上的充电电压的差异、通 过将这些充电电压限定到名义值并通过防止任何电压击穿而有助于改善超 级电容器电池的使用寿命。

图2中的参考标号29对应于用于嵌入式装置2到浮动直流电压配电网 络的连接。

图2中的参考标号29’对应于用于嵌入式装置2到恒定直流电压配电网 络的连接，即该恒定直流电压配电网络一般是在当前机动车辆中的12V网 络。

嵌入式装置2可以集成到机动车辆的不同区域，即使不在车辆的罩盖 (bonnet)下而在别处亦可。由此，嵌入式装置2到机动车辆中的集成是灵 活的。该集成的灵活性可以减少车内安装的约束。在优选的例子中，嵌入式 装置2可以放置为代替动力电池组26并处于动力蓄电池26的物理位置上。 在这种情况下，电池组26可以移动到车辆中任意其它适合的位置，例如到 行李箱或驾驶员座的下方。容纳嵌入式装置2的壳体20的物理尺寸可以被 标准化以致其可以集成到任意类型的机动车辆中。

图3至5更详细地示出了包括在本发明嵌入式装置2中的器件在壳体20 中的布置。

图3示出了容纳在壳体20中的各器件的示意性分解图。在图3的实例 中，平行六面体形状的壳体20被分为两个隔间31和32。隔间31包括超级 电容器组23。在本发明的优选实施例中，超级电容器组是多个超级电容器电 池40的形式。这些电池40可以在短时间内存储很大量的电力并在起动车辆 或旋转电机为车辆提供额外扭矩时释放(restore)该电力。根据本发明，第 二隔间32包括嵌入式装置2的电子电路。在一个具体实施例中，容纳在隔 间32中的电子电路实际上为DC/DC转换器24。在本发明的其它实施例中， 该电子电路还包括AC/DC转换器22以及可选的控制电路或其它器件。

在此处更具体地描述的实施例中，AC/DC转换器22和DC/DC转换器 24分别以电子功率板(electronic power board)38和电子功率板34的形式集 成在壳体2的隔间32中。用于AC/DC转换器的电子功率板38由电子控制 板(electronic control board)37控制。用于DC/DC转换器的电子功率板34 由电子控制板35控制。各个电子功率板34和38优选是并置的。类似地， 电子控制板35和37优选是并置的。电子功率板34、38和电子控制板35、 37通常是机械上独立的以便最小化开发成本。在变体中，每个转换器的电子 功率和电子控制板可以以单板形式生产。

这种将壳体20分为两个隔间的形式是本发明的优选实例。

在变体中，壳体20可以包括跟它所具有的电子板(electronic board)一 样多的隔间。在这样的情况下，每个板都放在一个隔间内。各个隔间可以如 所述实例中那样彼此堆叠。在另一变体中，隔间可以彼此并排地(alongside) 安装。一个隔间的器件必须不会侵犯到另一个隔间的体积中。这是为了允许 在隔间设计中的变化不会影响其它隔间。

包括超级电容器电池40的隔间31和包括电子板的隔间32由热绝缘壁 36分隔开。该壁36被定位以确保每个电子板上的电子器件处于最佳操作温 度。超级电容器电池40的温度被调整到可接受界限内。通过强制对流实现 的冷却可以提供实现该限制并冷却隔间31。

从图4中可以看出，用于第一隔间31的冷却装置包括至少两个孔42a 和42b，它们横向相对并且形成在壳体20中以使气流循环。这些孔42a和 42b在尺寸上相对较大以使得其中一个孔可以接收联接到柔性空气入口管41 的风扇33。空气入口和出口孔的数量并不局限于两个。壳体的第一隔间可以 具有足够数量的孔以便可以快速地抽出由超级电容器电池40散发的热量。

冷却装置可以由在壳体的第二隔间32的平行于壁36的外部上表面上放 置的散热器39来实现。该散热器增加了用于通过第二隔间32的壁热交换的 表面积。

超级电容器组23被设置为使得气流在各超级电容器电池40之间循环。 嵌入式装置2包括至少两个用于测量温度的传感器(未示出)。优选地，一 个温度传感器与电子功率器件一起定位，而另一个温度传感器与超级电容器 电池一起定位。温度测量意味着可以控制由冷却装置供应的气流。

图5示出了壳体20内部和两个隔间31、32之间的连接的布置。在图5 的实例中，电子板机械上彼此独立。

在一个实例中，壳体可以包括安置在电子功率板上的冷却装置，电子功 率板是散发最多热量的器件。这些冷却装置可以是连接到每个电子功率板 34、38的风扇或散热器或使用传热流体的热交换器。

超级电容器电池以对齐的方式水平地布置，且负极或正极交替。超级电 容器电池40串联连接。

将参考图6A和6B描述集成到装置2中的电压平衡装置。

两个实施方式分别在图6A和6B中以电压平衡单元(voltage balancing cell)400n和400n’的形式示出。在任意一个相同的实施例中，电压平衡装置 包括多个模拟电压平衡单元，每个电压平衡单元电连接到各自的超级电容器 电池的端子。

从图6A中可以看出，在该第一实施例中，单元400n主要包括电阻402 和齐纳二级管(Zener diode)403。电阻402和二极管403串联连接以便形 成与各自的超级电容器电池40n的端子并联连接的限制电路或电压限幅器 (voltage clipper)。齐纳二极管403和电阻403被选择以便将在电池40n端 子处的电压限制到预定最大值。

从图6B中可以看出，在该第二实施例中，单元400n’主要包括开关404 和电压比较器405。开关404例如由MOS-FET型晶体管形成并与限流电阻 406串联连接到超级电容器电池40n的端子。比较器405将超级电容器电池 40n的端子处的电压Vcl和参考电压Vc比较。当电压Vcl大于参考电压Vc 时，比较器405指令开关404闭合以将电压Vcl限制到等于Vc的最大值。

在一个具体的实施例中，电压平衡单元400n、400n’可以安置在电子控 制板35、37中的一个上。在这种情况下，如图5所示电压平衡单元400n、 400n’经由连接线57连接到超级电容器电池40。在本发明的特定实施例中， 譬如400n这种形式，例如，电压平衡单元可以直接安置在超级电容器电池 40的端子处。

上面给出的两个用于电压平衡装置的例子已经以简要地方式、主要考虑 由这些装置实施的电压限制功能进行了展示和描述。很显然，这些实施例的 各种变式是可能的，且都在本领域技术人员实现的范围之内。

AC/DC转换器的电子功率板38经由三相连接机构51连接到可逆旋转 电机21。DC/DC转换器的电子功率板34经由连接机构53连接到车辆的配 电网络的动力电池组。

AC/DC转换器的电子功率板38连接到超级电容器组23的阴极端子52 并连接到超级电容器组23的阳极端子56。DC/DC转换器的电子功率板34 连接到超级电容器组23的阴极端子52并连接到超级电容器组23的阳极端 子56。

电子板34和38到超级电容器组23的这四个连接使用短配线形成，这 些短配线显著降低了在电机21处于马达模式时的大量热(heat avalanche) 以及在电机21处于发电机模式时的电压波动的现象。

AC/DC转换器的电子功率板38到阴极端子52的连接还能避免地线偏 移(mass shift)，当各个电子设备之间没有公用地线(common mass)且车辆 的电系统的电压调节通过在各个电设备的端子处的不同电压测量来进行时， 可以观察到地线偏移，其中本发明形成这些电子设备中的一部分，且这些电 子设备形成所述系统。地线偏移导致系统的不同器件之间的通讯问题和较差 的调节。在本发明中存在公用地线的事实意味着可以不进行与发动机舱各块 之间的电连接有关的某些标准测试，由此使得设计更加高效。

本发明在结合已知为14+X的双电压网络系统应用时尤其有利。该结构 具有两个独立的电网，其中一个14+X网络由于其工艺技术而能够在高浮动 电压下工作。如图5所示的壳体的这个布置示出了从超级电容器组23的阳 极端子56到包括能够与浮动网络工作的负载(除冰装置、挡风玻璃刮水器 等等)的网络的连接机构55。