CN101262143B

CN101262143B - 车用供电设备

Info

Publication number: CN101262143B
Application number: CN2008100853117A
Authority: CN
Inventors: 千田崇; 谷惠亮; 小野博明
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2007-03-09
Filing date: 2008-03-07
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2028-03-07
Also published as: JP4306746B2; JP2008228403A; US20080221755A1; DE102008009671A1; CN101262143A; US7917276B2

Abstract

车用供电设备，包括：由安装在车辆上的发动机驱动的交流发电机，该交流发电机根据命令值来生成电功率；电池，该电池电连接到交流发电机以便由交流发电机充电，以及连接到安装在车辆上的电负载以便将供电电压施加到电负载。车用供电设备还包括第一功能组件，该第一功能组件将发动机为交流发电机生成电功率所消耗的燃油的增加量确定为功率生成成本；以及还包括第二功能组件，第二功能组件将命令值传送到交流发电机，该第二功能组件配置成基于第一功能组件确定的功率生成成本来确定命令值，以使供电电压的变化率不超过预定的极限值。

Description

车用供电设备

技术领域

本发明涉及包括交流发电机(发电机)和电池的车用供电设备。

背景技术

一般来说，交流发电机被安装在车辆上以用于向车辆中提供的多种电负载提供电力以及为车辆电池充电。车辆发动机驱动交流发电机来生成电功率。因驱动交流发电机所致的发动机的燃油消耗增加尽可能地小是让人期望的。

对此，提出这样一种技术，考虑车辆发动机和交流发电机的效率来计算每生成的单位功率的燃油消耗，并且使用所计算的燃油消耗作为判断标准来控制交流发电机的生成功率和电池的放电。例如，参考日本专利申请早期公开编号2004-260908和编号2005-12971。这些专利文献公开基于每生成的单位功率的燃油消耗来确定发电量，并使用电功率值或发电转矩作为命令值来执行功率管理。

公知有一种设有再生制动设备的车辆，该再生制动设备再生车辆的制动能量以驱动交流发电机。但是，无法仅通过再生的能量来保证车辆所需的电功率。因此，在这种具有再生制动设备的车辆中，也期望抑制因驱动交流发电机所致的发动机燃油消耗的增加。

顺便提及，根据车辆中提供的电负载的特征将对电负载提供的电压控制在预定的范围是必不可少的，以及将车辆电池的电压控制在预定范围也是必不可少的。因此，要如上面的专利文献中公开的使用电功率或发电转矩的值作为命令值来执行功率管理，需要预先精确地知道发电的电功率与交流发电机的输出电压之间的关系。这需要准备高精度电池模型或获取电池的高精度输入-输出特征。

但是，实际中这些都是不容易的。具体来说，在普遍使用的铅酸电池的情况中，这就更困难，因为铅酸电池有极化和电极劣化的问题。因此，虽然如上面专利文献中公开的使用电功率或发电转矩的值作为命令值使改进燃油消耗成为可能，但是它可能导致对电负载提供的电压的非期望突变，因为无法精确地管理该电压。

发明内容

本发明提供一种车用供电设备，包括：

安装在车辆上的发动机驱动的交流发电机，该交流发电机根据命令值生成电功率；

电池，该电池电连接到交流发电机以便由交流发电机充电，并且连接到安装在车辆上的电负载以便将供电电压施加到电负载；

第一功能组件，该第一功能组件将发动机为交流发电机生成电功率所消耗的燃油的增加量确定为功率生成成本；以及

第二功能组件，该第二功能组件将命令值传送到交流发电机，该第二功能组件配置成基于第一功能组件确定的功率生成成本来确定命令值，以使供电电压的变化率不超过预定的极限值。

根据本发明，可以提供一种能够改进燃油消耗并精确地管理电池电压的车用供电设备。

从下文包括附图和权利要求的描述，将显见到本发明的其他优点和特征。

附图说明

在这些附图中：

图1是示出设有根据本发明第一实施例的车用供电设备的车辆的电子系统的框图；

图2是示出车用供电设备中包括的供电控制装置为控制交流发电机而执行的控制的框图；

图3是示出图2电所示的控制中包括的输入/输出估算功能组件使用的简单电池模型的示意图；

图4是示出生成功率与功率生成成本之间的关系的示例的示意图；

图5是示出根据本发明第二实施例的车用供电设备中包括的供电控制装置为控制交流发电机而执行的控制的框图；

图6是示出发动机速度和交流发电机的最大可生成功率之间的关系的示例的示意图；

图7是以图形方式示出功率生成成本与对应功率候选之间的关系的示例的示意图；

图8是示出电池的SOC与目标成本之间的预设关系的示例的示意图；

图9是示出添加有表示目标成本的图7的图形的示意图；以及

图10是示出图5中所示的控制中包括的命令电压计算功能组件执行的过程细节的流程图。

具体实施例方式

图1是示出设有根据本发明第一实施例的车用供电设备的车辆的电子系统的框图。

如此图所示，发动机1通过带子7耦合到具有IC调整器的交流发电机2。该IC调整器负责增加或减少提供到绕着交流发电机2的转子的转子线圈的激励电流，以便将电池3的电压保持在适合的值。

由带子7传动的发动机1的机轴旋转而驱动交流发电机2的转子旋转。由流过转子线圈的激励电流控制交流发电机2的输出电压。交流发电机2通过供电线路8连接到电池3和负载控制装置10a-10e。在该实施例中，电池3是铅酸电池。

如图1所示，在交流发电机2与电负载11a1-11a3、11b1-11b3、...、11e1-e3(下文通称为电负载11)之间，以及在电池3与电负载11之间，没有提供用于不管其输入电压而将其输出电压保持恒定的任何装置(例如DC/DC转换器)。因此，提供到电负载11的电压具体根据电池3的电压的变化而变化，以及具体根据交流发电机2的输出电压的变化而变化。

负载控制装置10a执行用于电负载11a1-11a3的供电控制，负载控制装置10b执行用于电负载11b1-11b3的供电控制，以及负载控制装置10e执行用于电负载11e1-11e3的供电控制。包括供电控制所需的多种开关和传感器(未示出)的负载控制装置10a-10e中的每个负载控制装置根据外部信号和这些传感器的输出对所属的电负载执行输出控制。

供电控制装置5监视交流发电机2、电池3和供电线路8的状态，以便通过交流发电机控制装置12来控制交流发电机2。

交流发电机控制装置12将包含交流发电机2的当前生成功率和当前旋转速度的交流发电机信息传送到供电控制装置5。供电控制装置5与电池电流传感器14、负载电流传感器9和电池温度传感器13连接，以便获取电池3的输入/输出电流、负载电流和电池3的温度。供电控制装置5还接收电池电压(电池3的输出电压)和总线电压(作为供电电压的供电线路8的电压)。

供电控制装置5通过多个信号传输线路6连接到负载控制装置10a-10e以便通过复用通信与负载控制装置10a-10e交换信息。交流发电机控制装置12从未示出的车辆控制器接收车辆制动信息，并通过增加交流发电机2的激励电流来执行再生制动，以便产生所接收的车辆制动信息指示的必要车辆制动量(再生制动量)。

车辆控制器基于制动操纵部件的操纵量来计算车辆制动量，例如制动踏板压踏量传感器的输出，并命令未示出的液压制动设备的控制器产生等于计算的制动量减去上面的再生制动量的制动量。

接下来，将解释由供电控制装置5控制交流发电机2。供电控制装置5是其中包括CPU、ROM和RAM的计算机。CPU利用RAM作为主存储器以执行存储在ROM中的程序，以便实现图2所示的多种功能。

输入/输出功率估算功能组件51将多个预定目标电压候选(下文将予以解释)和电池3的当前电压(电池电压)输入到预设的简单电池模型，以便确定要输入到电池3的功率或从电池3输出的功率来作为每个目标电压候选的估算输入/输出功率。

将目标电压候选的上限值和下限值预定为使电池电压在电负载11可以正常工作的正常电压范围内。通过将上限目标电压候选和下限目标电压候选之间的差值除以预定因子来确定或将上限目标电压候选和下限目标电压候选之间的差值分成偶数个区间来确定其他目标电压候选。

图3是示出上面提到的简单电池模型的示意图。如图3所示，简单电池模型由电动势元件E和内部电阻元件r构成。这里，假定目标电压候选是14V，电动势是12V，而内部电阻是1Ω，以及当流过内部电阻原件的电流是2A时，电池电压变为14V。因此，在此假定中，需要对电池3提供电功率2A×14V＝28W。

因为电池3的电动势和内部电阻随时间不同或根据使用状况(充电/放电频率)而改变，所以电动势和内部电阻的值周期地更新。为了执行此更新，对电池电压和电池电流进行监视，并通过直线来模拟电池电压和电池电流之间的关系。将该线性曲线的截距确定为电动势，将该线性曲线的斜度确定为内部电阻。

最大可生成功率确定功能组件52获取发动机的实际旋转速度(下文称为实际发动机速度)Ne，根据实际发动机速度Ne计算发动机转矩，然后使用预定的驱动转矩计算公式基于加速器打开程度和车辆速度来计算车辆的当前驱动转矩T。最大可生成功率确定功能组件52计算发动机转矩减去驱动转矩T的值作为发动机1可以向交流发电机2提供的转矩(此转矩称为“可提供转矩”)的值。最大可生成功率确定功能组件52还计算在将所计算的可提供转矩提供到交流发电机2的情况中交流发电机2产生的电功率，并将此计算的电功率确定为交流发电机2的最大可生成功率。

也用作功耗计算功能组件的负载控制功能组件53获取包含电负载11的已开(switched)状态信息的工作状态信息，并基于工作状态信息来计算电负载11的当前总功耗。负载控制功能组件53还基于当前电池电压来计算电池3可提供给电负载11的电功率(下文将此计算的电功率称为“最大可提供功率”)，并计算此最大可提供功率与最大可生成功率确定功能组件52计算的最大可生成功率的和以作为可提供到电负载11的最大功率。以及负载控制功能组件53控制生成功率和总功耗的至少其中之一，以使总功耗低于可提供给电负载11的所计算的最大功率。

生成功率确定功能组件54根据输入/输出功率估算功能组件51为每个目标电压候选确定的电池3的估算输入/输出功率以及负载控制功能组件53计算的总功耗来确定发电机2需要为每个目标电压候选产生的生成功率。如果定义在电池3充电(向其提供电能)时估算输入/输出功率具有正号，而在电池3放电(提供电能)时具有负号，则生成功率等于估算输入/输出功率与总功耗的和。

功率生成成本确定功能组件55确定生成功率确定功能组件54为每个目标电压候选确定的生成功率的功率生成成本。功率生成成本是发电所需的燃油增加量与此功率的比值。因此，如果功率生成成本低，则它意味着以小的燃油增加量可以产生相同的电量。

图4是示出生成功率(kW)与功率生成成本之间的关系的示例的示意图。如图4所示，功率生成成本根据生成功率而变化。这是因为发动机的工作点与交流发电机的效率根据生成功率而变化。功率生成成本还根据发动机的速度和车辆的驱动转矩而变化。因此，上面的关系是对应于多个不同发动机速度/驱动转矩范围的每个范围预先设置的，并根据当前实际发动机速度Ne和当前实际驱动转矩T来选择多个不同关系的其中之一。

也用作目标值设置功能组件的总线电压选择功能组件56基于预定的最优候选选择条件来选择目标电压候选的最优候选。最优候选选择条件包括功率生成成本的条件。例如，总线电压选择功能组件56选择这些目标电压候选的其中一个目标电压候选作为电压命令值，该其中一个目标电压候选为功率生成成本确定功能组件55对应于每个目标电压候选确定的功率生成成本中最小的一个。但是，在电池3的剩余容量落在预定值之下的情况中，为了保证电池3的最低允许剩余功率，除了功率生成成本的条件外还可以添加增加输入到电池3中的功率的不同条件。

收集功能组件57持续地获取当前总线电压，计算所获取的总线电压与总线电压选择功能组件56选择的电压命令值之差的绝对值，然后确定该差值等于还是小于预定的允许电压变化。如果计算的差值等于或小于预定的允许电压变化，则收集功能组件57将总线电压选择功能组件56选择的电压命令值按原样输出到交流发电机2。另一方面，如果计算的差值大于预定的允许电压变化，则收集功能组件57输出这样一个总线电压的值，该值按使差值不大于预定的允许电压变化的值接近电压命令值。

交流发电机2使用IC调整器来控制生成功率以使总线电压变为尽可能地等于电压命令值。因此，随着实际总线电压与电压命令值之间的差值增加，总线电压的变化率变得更快。但是，在此实施例中，如上文解释的，电压命令值与当前总线电压之间的差值被限制为低于电压命令值。因此，限制了总线电压的变化率。

因此，可以通过允许电压变化的值来控制总线电压的变化率的最大值。例如，通过将允许电压变化设为较小值，可以使总线电压的变化率较慢。在此实施例中，将允许电压变化确定为使最大变化率不超过电负载11允许的值。这样能够防止作为电负载的其中一种的照明灯亮度突然改变，从而引起车辆的驾驶员或乘客的担心。

此外，在此实施例中，依据功率生成成本来选择多个这些目标电压候选的其中之一作为电压命令值。即，依据功率生成成本来确定电压值。这样能够改进燃油消耗。

而且，用于确定估算输入/输出功率的电池3的电池模型(图3)不是精确的模型，而是简化的模型。这样能够降低计算工作量。

接下来，描述本发明的第二实施例。第二实施例配置为使供电控制装置5实现图5所示的多种功能，而非图2所示的功能。至于其余部分，第二实施例与第一实施例相同。

图5所示的最大可生成功率确定功能组件61以第一实施例中的最大可生成功率确定功能组件52相似的方式确定交流发电机2的当前最大可生成功率。图6是示出发动机速度与最大可生成功率之间的关系的示例的示意图。如此图所示，最大可生成功率随发动机速度的增加而增加。

功率生成成本确定功能组件62将多个生成功率候选设为使最大可生成功率确定功能组件61确定的最大可生成功率是这些生成功率候选中最大的一个候选。而且，功率生成成本确定功能组件62为每个生成功率候选确定功率生成成本。在此实施例中，将这些发电候选确定为使他们在低于最大生成功率的预定范围内是等距的。

接下来，将解释确定每个生成功率候选的功率生成成本。首先，获取或计算未生成电功率时车辆的发动机速度Ne和驱动转矩T。然后，在此驱动转矩T的前提下，为每个生成功率候选计算生成电功率所需的发动机转矩的增加和燃油消耗的增加。将燃油消耗的对应计算的增加除以对应的生成功率候选来计算每个生成功率候选的功率生成成本。图7是以图形方式示出为每个生成功率候选计算的功率生成成本(图7中的黑色圆)的示意图。

作为为每个生成功率候选确定功率生成成本的上述配置的备选，还可以采用这样一种配置，其中为每个不同发动机速度/驱动转矩范围存储功率生成成本与生成功率之间的关系，并且在这些不同关系中，以与第一实施例中的功率生成成本确定功能组件55相似的方式，根据当前发动机速度Ne和当前实际驱动转矩T选择适合的一个。在此情况中，最大可生成功率确定功能组件61将所选关系中的生成功率轴的最大值确定为最大可生成功率。

SOC计算功能组件63将电池3的充电量/放电量累计，并持续地通过将电池3的总充电容量减去累计的充电量/放电量除以电池3的完全充电容量来计算电池3的充电率(下文称为“SOC”)。完全充电容量可以是电池的额定容量。

目标成本设置功能组件64使用SOC与目标成本之间的预设关系基于SOC计算功能组件63计算的SOC来确定作为功率生成成本的目标值的目标成本。

图8是示出关系的示例的示意图。如图8所示，目标成本随SOC的增加而减少。即，当SOC低时，目标成本高。这是因为对电池3充电的需要随SOC减少而变高。

目标成本设置功能组件64使用的关系与本实施例中的车辆的状态无关。但是，它可能根据车辆的状态而变化，例如电负载11的电功耗。例如，对于相同的SOC，可以在电负载11的电功耗高时设置得比电负载11的电功耗低时高。这样能够防止电功耗大时SOC过度减少，因为目标生成功率确定功能组件65确定的目标生成功率Power_SV(下文将予以解释)变得更大。虽然目标成本与SOC之间的关系由图8中所示的单调递减曲线表示，但是它也可以由直线表示。

目标生成功率确定功能组件65在功率生成成本确定功能组件62设置的发电候选中选择比目标成本设置功能组件64确定的目标成本低的候选。图9示出添加有表示按图8所示的关系确定的目标成本的线的图7的图形。在图9的示例中，此直线下方的黑圆表示目标发电确定功能组件65选择的发电候选。在这些所选发电候选中，将最大的候选确定为目标生成功率Power_SV。在图9的示例中，在表示目标成本的直线下方的黑圆中，将最右边的一个确定为表示目标生成功率Power_SV。

用作命令值设置功能组件的命令电压计算功能组件66按预定的间隔时间持续地更新发送到交流发电机2的电压命令值。为了更新电压命令值，在目标生成功率确定功能组件65确定的目标生成功率Power_SV与交流发电机2的实际生成功率(下文称为“交流发电机实际生成功率Power_Alt”)之间进行比较。此后，朝交流发电机实际生成功率Power_Alt逼近目标生成功率Power_SV的方向将电压命令值更改不超过预定命令电压变化率的极限值Vss的值。

图10是示出命令电压计算功能组件66执行的此过程细节的流程图。此过程开始于在步骤S1001获取交流发电机的实际生成功率Power_Alt。可以通过获取激发电流和交流电发电机2的旋转速度，并参考交流发电机的实际生成功率、激发电流与交流发电机2的旋转速度之间的已知关系来获得交流发电机的实际生成功率Power_Alt。或者，可以作为供电线路8的电压与电流的乘积来获取交流发电机的实际生成功率Power_Alt。

在步骤S1002，获取目标生成功率确定功能组件65确定的目标生成功率Power_SV。在步骤S1003，获取先前的电压命令值Volt_Pre。

在步骤S1004，确定步骤S1001获取的交流发电机的实际生成功率Power_Alt是否小于步骤S1002获取的目标生成功率Power_SV。如果此确定结果是肯定的，则过程进行到步骤S1005，在此步骤中将步骤S1003获取的先前电压命令值Volt_Pre与命令电压变化率极限值Vss相加的值设为电压命令值。对应于允许电压变化的命令电压变化率极限值Vss是根据确保电负载11正常工作的允许电压变化率确定的恒定值。

另一方面，如果步骤S1004的确定结果是否定的，则过程进行到步骤S1006，在此步骤中将步骤S1003获取的先前电压命令值Volt_Pre减去命令电压变化率极限值Vss的值设为电压命令值。

在步骤S1005或步骤S1006设置电压命令值之后，过程进行到步骤S1007，在此步骤中确定电压命令值是否小于预设的上限电压。此上限电压设为确保电负载11正常工作的值。

如果步骤S1007的确定结果是否定的，则过程进行到步骤S1008，在此步骤中，将电压命令值设为上限电压，然后进行到步骤S1011。另一方面，如果步骤S1007的确定结果是肯定的，则过程进行到步骤S1009，在此步骤中确定电压命令值是否大于预设的下限电压。此下限电压设为确保电负载11正常工作的值。

如果步骤S1009的确定结果是肯定的，则意味着步骤S1005或步骤S1006设置的电压命令值在上限电压与下限电压之间的范围内。在此情况中，过程直接进行到步骤S1011。另一方面，如果步骤S1009的确定结果是否定的，则过程进行到步骤S1010以将电压命令值设为下限电压，然后进行到步骤S1011。在步骤S1011，将设置的电压命令值输出到交流发电机2。

在上文描述的第二实施例中，准备多个生成功率候选，并基于对应于每个生成功率候选计算的功率生成成本来确定目标生成功率Power_SV。并且，因为基于目标生成功率Power_SV来设置电压命令值，所以可以改进燃油消耗。而且，因为电压命令值的变化率设为根据确保电负载11正常工作所允许的电压变化率来确定的命令电压变化率极限值Vss，所以能够防止电池电压突发性地变化。

上文解释的优选实施例是对本申请发明的举例，而本申请发明仅由所附的权利要求描述。应该理解如本领域技术人员将设想到，可以对这些优选实施例进行修改。

Claims

1.一种车用供电设备，包括：

由安装在车辆上的发动机驱动的交流发电机，所述交流发电机根据命令值来生成电功率；

电池，所述电池电连接到所述交流发电机以便由所述交流发电机充电，并且连接到安装在所述车辆上的电负载以便将供电电压施加到所述电负载；

第一功能组件，所述第一功能组件将所述发动机为所述交流发电机生成电功率所消耗的燃油的增加量确定为功率生成成本；以及

第二功能组件，所述第二功能组件将所述命令值传送到所述交流发电机，所述第二功能组件配置成基于所述第一功能组件确定的所述功率生成成本来确定所述命令值，以使所述供电电压的变化率不超过预定的极限值。

2.如权利要求1所述的车用供电设备，其特征在于，还包括：

第三功能组件，所述第三功能组件基于所述供电电压的电流值和预设的电池模型为预定目标电压候选的每个预定目标电压候选估算要被输入到所述电池或要从所述电池输出的输入/输出功率，以便使所述供电电压等于所述预定目标电压候选的所述每个预定目标电压候选；以及

第四功能组件，所述第四功能组件计算所述电负载的总功耗；以及

第五功能组件，所述第五功能组件基于所述第三功能组件为所述预定目标电压候选的每个预定目标电压候选所估算的所述输入/输出功率以及所述第四功能组件计算的所述总功耗为所述预定目标电压候选的每个预定目标电压候选确定所述交流发电机的生成功率；

所述第一功能组件配置成基于所述交流发电机的生成功率与功率生成成本之间的预设关系为预定目标电压候选的每个预定目标电压候选确定所述功率生成成本，

所述第二功能组件包括第六功能组件，所述第六功能组件将所述预定目标电压候选的其中一个预定目标电压候选设为所述命令值，所述一个预定目标电压候选是基于所述第二功能组件为所述预定目标电压候选的每个预定目标电压候选确定的所述功率生成成本来选择的，并且包括第七功能组件，所述第七功能组件校正所述第六功能组件设置的所述命令值以使所述命令值与所述供电电压的当前值之间的差变得等于或小于预定的允许值。

3.如权利要求1所述的车用供电设备，其特征在于，还包括：

第三功能组件，所述第三功能组件确定与所述交流发电机的生成功率有关的值中的可能的最大值；以及

第四功能组件，所述第四功能组件基于所述电池的充电率从所述功率生成成本中选择目标成本；

所述第一功能组件配置成设置与所述交流发电机的生成功率有关的所述值的多个候选，以使所述可能的最大值是所述多个候选的最大值，并为所述多个候选的每个候选确定所述功率生成成本，

所述车用供电设备还包括第五功能组件，所述第五功能组件将功率生成成本低于所述第四功能组件设置的所述目标成本的所述多个候选的最大候选确定为所述交流发电机的目标生成功率，

所述第二功能组件配置成执行所述目标生成功率与所述交流发电机的当前生成功率之间的比较，并朝所述当前生成功率逼近所述目标生成功率的方向将所述命令值改变不超过预定的允许电压变化的值。