CN101490921A - 用于使车辆交流发电机的输出最大化的系统和方法 - Google Patents

Abstract

用于使车辆交流发电机的输出在其整个运行温度范围最大化的系统和方法包括：用于测量第一温度的第一温度传感器和用于测量第二温度的第二温度传感器。第一温度模块将第一温度与第一温度参考进行比较以确定第一温度误差，并基于所述第一温度误差计算第一占空比参考。第二温度模块将第二温度与第二温度参考进行比较以确定第二温度误差，并基于所述第二温度误差计算第二占空比参考。占空比选择模块选择第一占空比参考和第二占空比参考中较小的一个作为最大系统占空比。占空比控制模块基于所述最大系统占空比来调节车辆交流发电机的励磁电流。

Description

用于使车辆交流发电机的输出最大化的系统和方法

技术领域

本专利文件中描述的技术大体上涉及车辆交流发电机。更特别地，提供用于使车辆交流发电机的输出在其整个运行温度范围内最大化的系统和方法。

背景技术

当今可以获得高性能的车辆交流发电机，尤其是在低和中等速度时具有高效率、高输出的运行。然而，在一些情况下，可获得的输出可能受到交流发电机的发热限制的局限。当例如由于遵照环境噪音污染标准而采取对策而造成引擎室温度增加时，这很成问题。

冷却系统典型地用于帮助降低引擎室温度并耗散交流发电机产生的热。此外，为了防止交流发电机在高运行温度时发生故障，许多交流发电机系统基于测量的温度(一些情况下是交流发电机速度)采用固定输出限制。典型地，需要大量实验来确定合适的固定限制。然而在许多情况下，对于给定的运行温度和速度，固定限制并不提供最大可能的输出。此外，如果引擎室温度超过预定量最大温度，则固定限制常常被设定得过高而不能充分保护交流发电机。

发明内容

根据这里描述的教导，提供用于使车辆交流发电机的输出在其整个运行温度范围内最大化的系统和方法。第一温度传感器可以用于测量第一温度，以及第二温度传感器可以用于测量第二温度。第一温度模块可以用于将第一温度与第一温度参考进行比较以确定第一温度误差，并至少部分基于所述第一温度误差计算第一占空比参考。第二温度模块可以用于将第二温度与第二温度参考进行比较以确定第二温度误差，并至少部分基于所述第二温度误差计算第二占空比参考。占空比选择模块可以用于选择第一占空比参考和第二占空比参考中较小的一个作为最大系统占空比。占空比控制模块可以用于至少部分基于所述最大系统占空比来调节车辆交流发电机的励磁电流，以便防止车辆交流发电机以超过所述最大系统占空比的占空比运行。

附图说明

下面将参考附图描述本发明的各实施例。可以理解的是，这些附图只示出本发明的典型实施例，因此不构成对其范围的限制。

图1是用于使车辆交流发电机的输出在其整个运行温度范围内最大化的示例系统的方框图。

图2是说明用于使车辆交流发电机的输出在其整个运行温度和速度范围内最大化的示例系统的方框图。

图3是示出了占空比控制模块的运行示例的流程图。

图4是示出了交流发电机控制系统示例的电路图。

图5是说明用于使车辆交流发电机的输出在其整个运行温度和速度范围内最大化的另一示例系统的方框图。

图6是示出了用于将车辆交流发电机的输出最大化的系统的示例操作的定时图。

具体实施方式

图1是用于使车辆交流发电机32的输出在整个运行温度范围内最大化的示例系统30的方框图。系统30包括两个温度模块34、36，每个模块从温度传感器38、40接收输入。系统30还包括占空比选择模块42和占空比控制模块44。

温度传感器38、40可以在关于交流发电机的不同位置处测量温度。例如，温度传感器38、40可以接近地附于交流发电机32中运行温度较为关键的部分，例如定子绕组的端匝和/或整流器二极管。一个或多个温度传感器38、40也可以被放置用于测量影响交流发电机32的运行的一个或多个其它温度敏感组件的温度。例如，如果使用温度敏感微处理器来实现模块34、36、42、44中的一个或多个或者执行其它用于交流发电机32的控制功能，则温度传感器也可以被放置用于测量微处理器附近的周围温度。在优选实施例中，温度传感器的位置至少与定子励磁绕组和系统微处理器的末端接近。

每个温度模块34、36包括比较元件46、48和调节元件50、52。每个比较元件46、48从各个温度传感器38、40接收温度信号，并将温度信号与温度参考54、56比较以得出温度误差58、60。调节元件50、52使用温度误差58、60来计算每个温度传感器位置特有的占空比参考。

在一个示例中，可以使用比例积分微分(PID)控制器实现调节元件50、52。例如，可以使用下列PID算法计算占空比参考。占空比参考＝Kp*temp_error+Ki∫(temp_error)dt+Kd*d(temp_error)/dt，其中“temp_error”是温度误差58、60，“Kp”、“Ki”和“Kd”是增益参数。

占空比选择模块42选择较小的占空比参考作为最大系统占空比62，其将被输入至占空比控制模块44。至少部分地基于所述最大系统占空比限制，占空比控制模块44产生控制信号64。控制信号64调节交流发电机32的励磁电流，以便防止交流发电机32以超过所述最大系统占空比62的占空比运行。

可以通过实验得出每个温度传感器位置处的温度参考。例如，已经确定出大约125℃和大约130℃之间的温度参考适于系统微处理器附近的温度传感器，而大约240℃的温度参考适于位于高温度定子绕组的端匝附近的温度传感器。然而应当理解的是，温度参考可以根据特定系统组件和配置而有所变化。

还应当理解的是，这里使用的术语“模块”可以包括硬件、软件或硬件和软件的组合。例如，在一个示例中，可以使用单个的处理设备实现图1中示出的每个模块34、36、42、44。在其它示例中，可以使用分立的逻辑电路和/或其它电路组件实现模块34、36、42、44中的一个或多个。其它配置也是有可能的。

图2是说明用于使车辆交流发电机102的输出在其整个运行温度和速度范围内最大化的示例系统100的方框图。系统包括多个温度模块104-106，其中每个模块从温度传感器108-110接收输入。系统100还包括占空比选择模块112和占空比控制模块114。

温度传感器118-110的位置接近交流发电机102的温度敏感部分和/或其它温度敏感组件，例如交流发电机定子励磁绕组和系统微处理器。来自传感器108-110的温度测量被输入至温度模块104-106中的比较元件116-118，其将温度测量信号与预定温度参考120-122比较以得出温度误差124-126。然后温度误差信号124-126连同指示交流发电机102的当前运行速度的信号132一起被输入至调节元件128-130。调节元件128-130基于交流发电机运行速度132和温度误差124-126来计算针对每个温度传感器位置的占空比参考。如上所述，可以使用PID控制器实现调节元件128-130。例如可以使用下列PID算法计算占空比参考。

占空比参考＝Kp(p_速度)*temp_error+Ki(i_速度)∫(temp_error)dt+Kd(d_速度)*d(temp_error)/dt，其中“temp_error”是温度误差124-126；“p_速度”、“i_速度”和“d_速度”是速度信号132的比例、积分和微分分量；“Kp”、“Ki”和“Kd”是增益参数。

由温度模块104-106计算的占空比参考被输入至占空比选择模块112，占空比选择模块112选择最小的占空比参考作为最大系统占空比134，最大系统占空比134将被输入至占空比控制模块114。基于最大系统占空比134和交流发电机102的输出电压138与预定参考电压140之间的比较，占空比控制模块114产生控制信号136。控制信号136用于调节交流发电机102的励磁电流，使得交流发电机以产生输出电压138所必需的占空比运行，只要占空比小于最大系统占空比134，所述输出电压138基本上等于电压参考140。也就是说，控制信号136始终防止交流发电机以超过所述最大系统占空比134的占空比运行，从而防止系统100超过运行温度。

图3中示出了占空比控制模块的示例运行。在步骤202，交流发电机输出电压(V_ALT)与预定参考电压(V_REF)比较。参考电压(V_REF)是要调节交流发电机的输出处的电压设定点(例如14.2V)。交流发电机输出电压(V_ALT)是在交流发电机励磁绕组两端所测量的电压。然而在其它示例中，参考电压(V_REF)可以与电池电压或与电池电压和交流发电机输出电压二者进行比较。如果交流发电机电压(V_ALT)大于或等于参考电压，则在步骤204从交流发电机励磁绕组中去掉能量，以便减少交流发电机占空比。否则，如果交流发电机输出电压(V_ALT)小于参考电压(V_REF)，则所述方法进行至步骤206。

在步骤206，将交流发电机输出的占空比和最大系统占空比进行比较。如果交流发电机的占空比大于或等于最大系统占空比，则在步骤204从励磁绕组中去掉能量，以便减小交流发电机占空比。否则，如果交流发电机占空比小于最大系统占空比，则在步骤208激励励磁绕组以便增大交流发电机占空比。

步骤210-212用于控制占空比控制模块的定时。用于实现占空比控制模块的系统微处理器典型地是交流发电机系统的温度最敏感组件之一。通过低速运行微处理器，可以减少内部损耗，并因此增加了最大运行周围温度。为了获得该结果，可以设定占空比控制模块的采样速度以便以每1％占空比(例如1ms)来执行图3所示的方法。因此对于交流发电机的每个占空比，占空比控制模块执行一百次步骤202和206的比较。为了控制该定时运行，在步骤210增加占空比计数器，并且每100个计数(步骤211)占空比计数器被复位为零(步骤212)。

应当理解的是，占空比控制模块的其它定时配置也是可能的。例如，可以包括多于100的计数以便提高分辨率(例如，每1/2占空比一个计数)。而且，在其它示例中，占空比控制模块的定时与交流发电机占空比无关。

图4是示出了交流发电机控制系统示例300的电路图。在此示例中，控制模块由微处理器302实现。例如，微处理器302可以用于实现图1或图2中示出的温度模块、占空比选择模块和占空比控制模块。微控制器302使用耦合至FET306的控制信号304来控制交流发电机的占空比。通过导通FET(增大占空比)和截止FET(减小占空比)来控制经过交流发电机励磁绕组308的电流。

至微处理器302的输入包括来自两个或多个温度传感器310、312的温度信号、电池电压、交流发电机输出和AC定子输出。AC定子输出可以用于确定交流发电机速度，例如如图5所示。如上所述，交流发电机速度、温度信号和交流发电机电压和/或电池电压可以用于调节交流发电机占空比。

使用微处理器来实现交流发电机控制模块可以提供若干优点。例如，基于微处理器的控制系统可以使得相同的调节系统能够用于不同类型的交流发电机。基于微处理器的系统也可以提供其它设计灵活性，例如少用外部组件和/或少用昂贵的PCB材料。

图5是说明用于使车辆交流发电机的输出在其整个运行温度和速度范围内最大化的另一示例系统400的方框图。所述系统包括多个温度模块402、电压调节模块404和占空比控制模块406。还包括交流发电机速度计算模块408、平稳启动模块410和占空比选择模块412。

在运行中，基于最大系统占空比414和电压调节信号(AV/AVref)416，占空比控制模块406调节交流发电机的励磁电流。最大系统占空比414由占空比选择模块412确定，占空比选择模块412从温度模块402并且可能从平稳启动模块410的输出选择最小的占空比参考。电压调节信号(AV/AVref)416由电压调节模块404通过将交流发电机电压418和参考电压(AVref)410进行比较而产生。

电压调节模块404包括比较器422、电压测量元件424、信号处理元件426和温度补偿元件428。可以从交流发电机励磁绕组接收交流发电机电压输入418，并将其输入至测量元件424以产生电压测量信号。电压测量信号被信号处理元件426滤波和格式化并被输入(AVin)到比较器422。通过调节基础参考电压(AVbase)以补偿周围温度中的变化，产生输入到比较器422的参考电压(AVref)420。更特别地，由温度补偿元件428根据所测量的周围温度(Temp)来计算温度补偿值(AVcomp)。然后通过温度补偿值(AVcomp)调节基础参考电压(AVbase)以产生参考电压(AVref)420。如图所示，25℃时优选的基础参考电压是14.2V，然而也可以使用其它参考值。

温度模块402从位于系统的温度敏感位置的温度传感器接收温度信号(关键温度01、关键温度02和关键温度03)。温度信号被处理以产生温度测量，将其与预定温度参考(关键温度01REF、关键温度02REF和关键温度03REF)进行比较，以得出温度误差值430-432。温度误差430-432连同由交流发电机速度计算模块408确定的速度系数一起被输入至PID控制器434-436。基于速度系数和温度误差430-432，例如使用上面参考图2所述的PID算法，PID控制器434-436计算每个温度传感器位置的占空比参考。

交流发电机速度计算模块408将来自定子的AC输出(AC_input)与AC参考信号(AC_Ref)进行比较以识别脉冲计数，并根据脉冲计数计算交流发电机速度。然后处理所计算的交流发电机速度，例如通过将交流发电机速度值变为PID控制器所期望的格式，以产生速度系数。

当车辆交流发电机首次被激励时，可以使用平稳启动模块410，以缓慢地使交流发电机占空比攀升至它的运行水平。

如图4所示，占空比控制模块406通过开启和关闭切换电路(例如FET)控制经过交流发电机励磁绕组的电流。如果电压调节信号(AV/AVref)416指示交流发电机电压(AVin)高于参考电压(AVref)，则关闭切换电路(例如FET)以减少交流发电机占空比从而减少交流发电机电压。否则，如果交流发电机电压(AVin)小于参考电压(AVref)，则占空比控制模块406比较交流发电机的当前占空比和最大系统占空比414。如果交流发电机占空比大于最大系统占空比414，则关闭切换电路(例如FET)以减小交流发电机占空比。

如果交流发电机占空比并没有超过最大系统占空比414，则占空比控制模块406也可以确定交流发电机占空比的变化率(Δ％)是否超过预定限制。这有助于保证占空比不会增加得过快，例如当交流发电机有显著增加的负载(例如加热座被开启)时。只有所有这些条件都满足时，占空比控制模块406才会开启切换电路(例如FET)以增大交流发电机占空比。以此模式，占空比控制模块防止系统受到热损伤，同时使交流发电机的输出能力在任何运行条件下都最大化。

图6是示出了用于使车辆交流发电机的输出最大化的系统(如图5示出的系统)的示例运行的定时图。所述定时图示出了占空比控制的动态特性，其结果尤其是在轻和中等负载时产生非周期占空比。该动态调节与典型的固定频率调节器(其使用中间占空比控制寄存器改变占空比率)有所不同。

本发明可以以其它特殊形式实施，而不脱离其精神或本质特征。所述实施例在所有方面均应被认为仅作为示例并且无局限性。因此本发明的范围由权利要求而非前面的描述所限定。在权利要求的等同物的意义和范围内进行的所有变化都包括在其范围之内。

Claims (28)

1.一种用于车辆交流发电机的调节系统，包括：

用于测量第一温度的第一温度传感器；

用于测量第二温度的第二温度传感器；

第一温度模块，将第一温度与第一温度参考进行比较以确定第一温度误差；

所述第一温度模块至少部分基于所述第一温度误差计算第一占空比参考；

第二温度模块，将第二温度与第二温度参考进行比较以确定第二温度误差；

所述第二温度模块至少部分基于所述第二温度误差计算第二占空比参考；

占空比选择模块，选择第一占空比参考和第二占空比参考中较小的一个作为最大系统占空比；以及

占空比控制模块，至少部分基于所述最大系统占空比来调节车辆交流发电机的励磁电流，以便防止车辆交流发电机以超过所述最大系统占空比的占空比运行。

2.如权利要求1的调节系统，其中在关于车辆交流发电机的位置测量第一温度和第二温度中的至少一个。

3.如权利要求2的调节系统，其中第一温度传感器被放置用于测量车辆交流发电机的定子绕组附近的周围温度。

4.如权利要求3的调节系统，其中第一温度参考在约125℃和约130℃之间。

5.如权利要求2的调节系统，其中第一温度传感器和第二温度传感器中至少一个被放置用于测量车辆交流发电机的整流器二极管附近的周围温度。

6.如权利要求1的调节系统，其中关于控制车辆交流发电机的处理设备来测量第一温度。

7.如权利要求6的调节系统，其中第一温度参考为约240℃。

8.如权利要求1的调节系统，其中第一温度模块根据第一温度误差和交流发电机的运行速度计算第一占空比参考，第二温度模块根据第二温度误差和交流发电机的运行速度计算第二占空比参考。

9.如权利要求1的调节系统，其中使用多路比例积分微分(PID)控制器实现所述第一温度模块和所述第二温度模块。

10.如权利要求1的调节系统，其中：

第一温度模块包括：第一比较元件，将第一温度与第一温度参考进行比较以确定第一温度误差；和第一PID控制器，根据第一温度误差计算第一占空比参考；以及

第二温度模块包括：第二比较元件，将第二温度与第二温度参考进行比较以确定第二温度误差；和第二PID控制器，根据第二温度误差计算第二占空比参考。

11.如权利要求1的调节系统，其中：

所述占空比控制模块接收指示交流发电机的输出电压的电压信号和电压参考，并将电压信号与电压参考进行比较以确定电压误差；

所述占空比控制模块基于最大系统占空比和电压误差调节车辆交流发电机的励磁电流，以便车辆交流发电机以产生等于电压参考的输出电压所必需的占空比运行，只要该占空比小于所述最大系统占空比。

12.如权利要求1的调节系统，其中所述占空比控制模块通过开启和关闭切换电路来调节车辆交流发电机的励磁电流，所述切换电路与交流发电机励磁绕组串联耦合。

13.如权利要求12的调节系统，其中所述切换电路包括场效应晶体管(FET)。

14.如权利要求1的调节系统，其中所述占空比控制模块产生控制信号以调节车辆交流发电机的励磁电流，并且由时钟信号对控制信号进行采样，所述时钟信号与车辆交流发电机的运行频率成比例。

15.如权利要求14的调节系统，其中车辆交流发电机的占空比为100ms，并且所述时钟信号每1ms包括一时钟脉冲。

16.如权利要求1的调节系统，其中使用单个处理设备实现全部所述第一温度模块、所述第二温度模块、所述占空比选择模块和所述占空比控制模块。

17.如权利要求1的调节系统，其中所述占空比控制模块还调节车辆交流发电机的励磁电流，以便防止车辆交流发电机的占空比以超过预定最大速率的速率增加。

18.一种用于最大化车辆交流发电机系统的方法，包括：

在车辆交流发电机系统的第一位置测量第一温度；

在车辆交流发电机系统的第二位置测量第二温度；

将第一温度和第一温度参考进行比较以确定第一温度误差；

至少部分基于所述第一温度误差计算第一占空比参考；

将第二温度与第二温度参考进行比较以确定第二温度误差；

至少部分基于所述第二温度误差计算第二占空比参考；

选择第一占空比参考和第二占空比参考中较小的一个作为最大系统占空比；以及

至少部分基于所述最大系统占空比来调节车辆交流发电机的励磁电流，以便防止车辆交流发电机以超过所述最大系统占空比的占空比运行。

19.如权利要求18的调节系统，其中在车辆交流发电机的定子绕组的附近测量第一温度。

20.如权利要求19的调节系统，其中第一温度参考在约125℃和约130℃之间。

21.如权利要求18的调节系统，其中在车辆交流发电机的整流器二极管附近测量第一温度。

22.如权利要求18的调节系统，其中关于控制车辆交流发电机的处理设备来测量第一温度。

23.如权利要求22的调节系统，其中第一温度参考为约240℃。

24.如权利要求18的调节系统，其中根据第一温度误差和交流发电机的运行速度计算第一占空比参考，并根据第二温度误差和交流发电机的运行速度计算第二占空比参考。

25.如权利要求18的调节系统，进一步包括：

接收指示交流发电机的输出电压的电压信号；将电压信号与电压参考进行比较以确定电压误差；

其中基于最大系统占空比和电压误差调节车辆交流发电机的励磁电流，以便车辆交流发电机以产生等于电压参考的输出电压所必需的占空比运行，只要该占空比小于所述最大系统占空比。

26.如权利要求18的调节系统，其中进一步调节车辆交流发电机的励磁电流，以便防止车辆交流发电机的占空比以超过预定最大速率的速率增加。

27.一种车辆交流发电机系统，包括：

在车辆交流发电机系统的第一位置测量第一温度的装置；

在车辆交流发电机系统的第二位置测量第二温度的装置；

将第一温度和第一温度参考进行比较以确定第一温度误差的装置；

至少部分基于所述第一温度误差计算第一占空比参考的装置；

将第二温度与第二温度参考进行比较以确定第二温度误差的装置；

至少部分基于所述第二温度误差计算第二占空比参考的装置；

选择第一占空比参考和第二占空比参考中较小的一个作为最大系统占空比的装置；以及

至少部分基于所述最大系统占空比来调节车辆交流发电机的励磁电流，以便防止车辆交流发电机以超过所述最大系统占空比的占空比运行的装置。

28.如权利要求27的调节系统，进一步包括：

接收指示交流发电机的输出电压的电压信号的装置；以及

将电压信号与电压参考进行比较以确定电压误差的装置；

其中基于最大系统占空比和电压误差调节车辆交流发电机的励磁电流，以便车辆交流发电机以产生等于电压参考的输出电压所必需的占空比运行，只要该占空比小于所述最大系统占空比。

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