CN102130552A - 车辆发电机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种车辆发电机。该车辆发电机包括：缠有场绕组的转子；缠有定子绕组的定子；分别连接到所述定子绕组的对应输出端子的整流器模块；以及发电控制装置，用于通过控制流过所述场绕组的激励电流来控制从所述整流器模块的输出形成的所述车辆发电机的发电电压。每个所述整流器模块包括在电池的正负端子之间串联连接的成对第一MOS晶体管和第二MOS晶体管。所述整流器模块通过通信线相互连接。所述整流器模块通过在所述通信线上传送的脉冲序列信号交换与所述整流器模块的所述第一和第二MOS晶体管的控制有关的数据。

Description

车辆发电机
技术领域
本发明涉及安装在客车或卡车等车辆上的车辆发电机。
背景技术
具有由功率MOS晶体管构成的三相全波整流器以提高发电性能的车辆交流发电机是已知的。例如，参见日本专利申请特开H8-336259号公报。在上述车辆发电机中，用于对构成三相全波整流器的六个功率MOS晶体管进行接通/断开控制的栅极控制电压由控制器产生。
然而，如上述专利文献中描述的该传统车辆发电机存在问题，因为构成三相全波整流器的所有功率MOS晶体管都由同一控制器开关控制，如果该控制器失效，该三相全波整流器就停止工作。可以想到采用这样的配置：将构成三相全波整流器的功率MOS晶体管分组到定子绕组的每一相，并且为每一组提供控制器，这样即使提供给对应的其中一组的其中一个控制器失效，该车辆发电机仍能够继续使用其它控制器执行部分发电操作。然而，这种配置难以实施，因为由于控制器很难相互配合，所以难以作为整体控制车辆发电机的相电流，并且难以定位车辆发电机的各相中的故障。
发明内容
本发明提供一种车辆发电机，包括：
缠有场绕组的转子，该场绕组用于激励转子的磁极；
缠有定子绕组的定子，该定子绕组作为多相绕组用于根据由场绕组产生的旋转磁场产生AC电压；
整流器模块，其分别连接到所述定子绕组的对应输出端子；以及
发电控制装置，用于通过控制流过所述场绕组的激励电流来控制从所述整流器模块的输出形成的所述车辆发电机的发电电压；
其中每个整流器模块包括在电池的正负端子之间串联连接的成对第一MOS晶体管和第二MOS晶体管，
所述整流器模块通过通信线相互连接，并且
所述整流器模块通过在所述通信线上传送的脉冲序列信号交换与所述整流器模块的第一和第二MOS晶体管的控制有关的数据。
根据本发明，提供一种车辆发电机，这种车辆发电机在其整流器模块中发生故障时仍能够继续可靠地执行部分发电操作。
通过以下包括附图和权利要求的说明，本发明的其它优点和特征将变得很明显。
附图说明
在附图中：
图1是示出根据本发明实施例的车辆发电机的结构的图；
图2是示出包括在图1中所示的车辆发电机中的整流器模块的结构的图；
图3是示出包括在图2中所示的每个整流器模块中的控制电路的结构的图；
图4是示出在发电控制装置、整流器模块和ECU之间通过使用整流器通信总线的连接的图；
图5是示出向整流器通信总线运送的脉冲序列信号和整流器模块的操作之间的时间关系的图；
图6是示出在整流器模块中检测到故障的定时和向ECU发送通知的定时之间关系的图；
图7是示出在发电控制装置、整流器模块和ECU之间通过使用LIN通信线的连接的图；
图8是示出在整流器模块和ECU之间交换的通信消息的例子的图；
图9是示出当在相位控制模式下操作整流器模块时车辆发电机的操作的例子的图；
图10是示出当在发电控制装置、ECU和整流器模块之间进行LIN通信时的通信进度的例子的图；
图11是示出由于通信中断而通知发生通信故障的通信帧的例子的图；
图12是示出根据本发明实施例的车辆发电机的改进型的结构的图；
图13是示出用于检测车辆发电机转子的转动位置的位置传感器和整流器模块之间连接的图；以及
图14是示出由位置传感器产生的基准脉冲的输出定时和整流器模块的控制定时之间关系的图。
具体实施方式
图1是示出根据本发明实施例的车辆发电机1的结构的图。如图1中所示，车辆发电机1包括两个定子绕组2和3、场绕组4、两个整流器模块组5和6以及发电控制装置7。
定子绕组2是围绕定子芯(未示出)缠绕的多相绕组(在本实施例中是包括X相绕组、Y相绕组和Z相绕组的三相绕组)。定子绕组3也是围绕同一定子芯缠绕的关于定子绕组2具有30度电角位移的多相绕组(在本实施例中是包括U相绕组、V相绕组和W相绕组的三相绕组)。定子绕组2、3和定子芯构成车辆发电机1的定子。
围绕朝向定子芯的内圆周布置的场磁极(未示出)缠绕场绕组4以形成车辆发电机1的转子。当激励电流流过场绕组4时，磁极被激励。通过当磁极被激励时产生的旋转场，定子绕组2和3的每一个都产生AC电压。
形成三相全波整流器的整流器模块组5连接到定子绕组2。整流器模块组5包括整流器模块5X、5Y和5Z，分别用于定子绕组2的三相。整流器模块5X连接到定子绕组2的X相绕组。整流器模块5Y连接到定子绕组2的Y相绕组。整流器模块5Z连接到定子绕组2的Z相绕组。
形成三相全波整流器的整流器模块组6连接到定子绕组3。整流器模块组6包括整流器模块6U、6V和6W，分别用于定子绕组3的三相。整流器模块6U连接到定子绕组3的U相绕组。整流器模块6V连接到定子绕组3的V相绕组。整流器模块6W连接到定子绕组3的W相绕组。
发电控制装置7控制流过激励绕组4的激励电流，从而控制车辆发电机1的发电电压(各整流器模块的输出电压)。发电控制装置7连接到作为外部控制装置的ECU 8，并与ECU 8交换各种信号。
接下来，解释整流器模块的结构。
图2是示出整流器模块5X的结构的图。其它整流器模块5Y、5Z、6U、6V和6W具有与整流器模块5X相同的结构。
如图2中所示，整流器模块5X包括两个MOS晶体管50和51、电流检测元件53和控制电路54。MOS晶体管50的源极连接到定子绕组2的X相绕组，其漏极连接到电池9的正端子9，MOS晶体管50作为高侧开关元件操作。MOS晶体管51的漏极连接到定子绕组2的X相绕组，其源极连接到电池9的接地的负端子9，MOS晶体管51作为低侧开关元件操作。
图3示出控制电路54的结构的图。如图3中所示，控制电路54包括控制部100、电源102、电池电压检测部110、操作检测部120和130、温度检测部150、电流检测部160、高侧驱动器170、低侧驱动器172和通信电路180。
当车辆引擎启动并且在定子绕组2的X相绕组中产生相电压时，电源102开始工作以向包括在控制电路中的各组件提供工作电压。
高侧驱动器170在其输出端子(G1)处连接到高侧MOS晶体管50的栅极，并且产生驱动信号以接通和断开MOS晶体管50。类似地，低侧驱动器172在其输出端子(G2)处连接到低侧MOS晶体管51的栅极，并且产生驱动信号以接通和断开MOS晶体管51。
由差动放大器和A/D转换器构成的电池电压检测部110输出表示电池9的正端子电压的数据。
由差动放大器和A/D转换器构成的操作检测部120输出表示高侧MOS晶体管50的源极-漏极电压的数据(图2和图3中所示的A端子和B端子之间的电压)。控制部100基于该数据监视由高侧驱动器170驱动的MOS晶体管50的操作，并且根据需要对MOS晶体管50进行控制和故障检测。
由差动放大器和A/D转换器构成的操作检测部130输出表示低侧MOS晶体管51的源极-漏极电压的数据(图2和图3中所示的B端子和C端子之间的电压)。控制部100基于该数据监视由低侧驱动器172驱动的MOS晶体管51的操作，并且根据需要对MOS晶体管51进行控制和故障检测。
由恒流源、二极管、差动放大器和A/D转换器构成的温度检测部150输出表示该二极管的取决于温度的正向电压降的数据。控制部100监视整流器模块5X的温度以检测整流器模块5X的热故障。
由差动放大器和A/D转换器构成的电流检测部160输出表示跨过例如电阻器的电流检测元件53的电压(C端子和GND端子之间的电压)的数据。控制部100基于该数据监视低侧MOS晶体管51的源极-漏极电流以检测X相绕组的短路或断路。
通信电路180连接到发电控制装置7的通信端子(P端子)，并通过连接到P端子的通信线(整流器通信总线)与整流器模块交换脉冲序列信号。六个整流器模块5X、5Y、5Z、6U、6V和6W通过该通信线相互连接，使得可以在这些整流器模块之间交换该脉冲序列信号，作为用于控制MOS晶体管50和51的数据。
接下来，解释通过该通信线的数据交换和使用该数据进行操作的例子(1)至(6)。
例子(1)：基于该通信线上的脉冲序列信号设置MOS晶体管50和51的接通/断开定时。
图4是示出发电控制装置7、整流器模块和ECU 8之间连接的图。在该例子中，六个整流器模块5X、5Y、5Z、6U、6V和6W连接到作为通信线的整流器通信总线。该整流器通信总线还与发电控制装置7的P端子相连。
图5是示出运送到整流器通信总线的脉冲序列信号和整流器模块的操作之间关系的图。在图5中，文字说明“X相高侧激励开始定时”表示整流器模块5X的高侧MOS晶体管50接通的定时。将X相绕组的电压(X相电压)超过预定阈值电压(例如，电池电压VB)的时刻设置为该定时。在该X相高侧激励开始定时，整流器模块5X的控制电路54以预定的时间间隔将整流器通信总线的电压从高电平改变为低电平。类似地，文字说明“V相高侧激励开始定时”表示整流器模块6V的高侧MOS晶体管50接通的定时。将V相绕组的电压(V相电压)超过预定阈值电压的时刻设置为该定时。在该V相高侧激励开始定时，整流器模块6V的控制电路54以预定时间间隔将该整流器通信总线的电压从高电平改变为低电平。以上解释也适用于其它整流器模块。因此，以60度电角的间隔改变到低电平的脉冲序列信号被运送到整流器通信总线。
每个整流器模块基于运送到整流器通信总线的脉冲序列信号设置MOS晶体管50和51的接通定时或断开定时。在图5中，文字说明“X相.G1”表示从整流器模块5X的控制电路54输出到MOS晶体管50的栅极信号G1，文字说明“X相.G2”表示从整流器模块5X的控制电路54输出到MOS晶体管51的栅极信号G2。类似地，文字说明“V相.G1”表示从整流器模块6V的控制电路54输出到MOS晶体管50的栅极信号G1，文字说明“V相.G2”表示从整流器模块6V的控制电路54输出到MOS晶体管51的栅极信号G2。
如图5中所示，在整流器模块5X中，例如，基于X相电压设置高侧MOS晶体管50的接通定时，基于出现在整流器通信总线上的脉冲序列信号设置高侧MOS晶体管50的断开定时，以使得与整流器模块5Y的高侧MOS晶体管50的接通定时一致。类似地，基于出现在整流器通信总线上的脉冲序列信号设置低侧MOS晶体管51的接通定时，以使得与整流器模块6V的高侧MOS晶体管50的接通定时一致，并且基于出现在整流器通信总线上的脉冲序列信号设置低侧MOS晶体管51的断开定时，以使得与整流器模块6W的高侧MOS晶体管50的接通定时一致。其它整流器模块的MOS晶体管50和51的接通定时和断开定时以与上述相同的方式设置。
例子(2)：使用通信线上的脉冲序列信号在整流器模块之间传送发生故障的通知。
在上述例子(1)中，只要所有的整流器模块都正常操作，就将以60度电角的间隔改变到低电平的脉冲序列信号运送到整流器通信线。如果在任何一个整流器模块中发生故障，故障整流器模块的控制电路54将整流器通信总线的电压固定到低电平。因此，其它正常操作的五个整流器模块可以在它们检测到整流器通信总线的电压被固定到低电平时知道发生故障。
为了使控制电路54能够检测到整流器通信总线被固定到低电平，通信电路180可以提供有以下电路：当整流器通信总线处于低电平的预定时间段长于例如在引擎怠速时对应于60度电角的时间段时该电路输出信号。
如果在任何一个整流器模块中出现这种故障，其它正常操作的整流器模块不能基于整流器通信总线上的脉冲序列信号设置MOS晶体管50和51的接通定时和断开定时，因为在发生故障之后整流器通信总线被固定到低电平。因此，在此情况下，控制电路54通过基于连接到其中包括控制电路54的整流器模块的相绕组的电压设置MOS晶体管50和51的接通定时和断开定时而继续整流操作。
例子(3)：使用通信线上的脉冲序列信号检测整流器模块中出现的故障，并且发电控制装置7通知ECU 8发生故障。在该例子中，发电控制装置7可以采用与例子(2)相似的方式检测整流器模块中的故障。
通过提供有当整流器通信总线处于低电平的预定时间段长于例如在引擎怠速时对应于60度电角的时间段时则输出信号的电路，发电控制装置7可以知道整流器通信总线被固定到低电平。
当基于整流器通信总线上的脉冲序列信号检测到任何一个整流器模块中发生故障时，发电控制装置7将其L端子的电压从高电平改变到低电平，以通知ECU 8发生故障。
L端子可以是用于向ECU 8通知是否正在发电并且在没发电时点亮充电指示灯的诊断端子(diag terminal)。因此，在开始发电之前，从L端子输出低电平信号，并且在开始发电之后从L端子输出高电平信号。
图6是示出发电控制装置7检测到整流器模块之一发生故障时的定时和发电控制装置7通知ECU 8出现该故障的定时之间关系的图。如图6中所示，当在整流器模块总线上的脉冲序列信号在预定时间段T持续处于低电平时，发电控制装置7确定发生故障，并且通过将L端子的电压从高电平改变到低电平向ECU 8发送表示发生故障的通知。
例子(4)：在上述例子(1)至(3)中，使用运送到将发电控制装置7连接到整流器模块的整流器通信总线的脉冲序列信号控制整流器模块的操作。
然而，在发电控制装置7和ECU 8之间通过位于其间的串行通信线进行双向串行通信的情况中(例如，使用LIN(局部互联网络)协议的LIN通信)，该串行通信线还可用于整流器模块之间的通信。
图7是示出发电控制装置7、整流器模块和ECU 8之间通过LIN通信线的连接的图。
图8的(A)部示出从整流器模块发送到ECU 8的通信消息的发送帧的结构。图8的(B)部示出从ECU 8发送到整流器模块的通信消息的接收帧的结构。
如图8的(A)部中所示，发送帧包括同步间断、同步字段、ID字段、操作故障、温度、电流和电压。操作故障是表示MOS晶体管50和51中存在或不存在故障以及已经发生的故障的类型的数据。包括在发送帧中的温度、电流和电压是分别由温度检测部150、电流检测部160和电池电压检测部110检测到的数据。
如图8中的(B)部所示，接收帧包括同步间断、同步字段、ID字段、运行模式和相角。通过从ECU 8接收用于控制MOS晶体管50和51的相角和运行模式，可以进行不同模式的发电，包括：将重点放在发电效率的同步整流模式；将重点放在输出电流以通过传输将相电压引向定子绕组2和3中每一个的电流而产生最大功率的相控模式；以及通过降低车辆发电机1的效率以降低引擎速度从而增加引擎的扭矩负荷以施加制动的再生发电模式。
图9是示出当整流器模块以指定特定相角的相控模式操作时的车辆发电机的操作例子的图。在图9中，文字说明“G1”表示由控制电路54施加到高侧MOS晶体管50的栅极信号，文字说明“G2”代表由控制电路54施加到低侧MOS晶体管51的栅极信号。当指定相控制模式和特定相角时，每个整流器模块检测流过对应的相绕组的相电流的极性从正变为负的第一零交叉点，将从第一零交叉点经过该指定相角的时间设置为高侧MOS晶体管50的断开定时，检测流过对应的相绕组的相电流的极性从负变为正的第二零交叉点，并将从第二零交叉点经过该指定相角的时间设置为低侧MOS晶体管51的断开定时。
可以分别基于MOS晶体管50和51的源极-漏极电压检测第一和第二零交叉点。可以参考相电压超过预定阈值的时间或者第一或第二零交叉点来设置MOS晶体管50和51中每一个的接通定时。
图10是示出当在发电控制装置7、ECU 8和整流器模块之间进行LIN通信时的通信进度例子的图。在图10中，文字说明“发电控制装置接收帧”表示从ECU 8发送并由发电控制装置7接收的帧，文字说明“发电控制装置发送帧”表示从发电控制装置7发送并由ECU 8接收的帧。根据转子的时间常数设置发电控制装置7和ECU 8之间的帧交换频率，例如当转子的时间常数为200ms时，将帧交换频率设置为每秒钟20次。
此外，文字说明“所有整流器模块接收帧”表示从ECU 8发送到所有整流器模块5X、5Y、5Z、6U、6V和6W的帧，文字说明“整流器模块5X-5Z发送帧”表示从整流器模块5X、5Y和5Z中任何一个发送的帧，文字说明“整流器模块6U-6W发送帧”表示从整流器模块6U、6V和6W中任何一个发送的帧。发电控制装置7和整流器模块之间的帧交换频率被设置为低于发电控制装置7和ECU 8之间的帧交换频率，例如设置为大约每秒钟1次。可替选地，可以每当发电控制装置7和ECU 8之间的帧交换进行预定次数(例如，32次)时进行整流器模块和ECU 8之间的帧交换。
例子(5)：在例子(4)中，由于从每个整流器模块发送到ECU 8的帧包括与图8的(A)部中所示的操作故障有关的数据，ECU 8可以通过接收该帧知道故障的发生。
然而，作为使ECU 8能够检测到发生故障的可替选的简单方式，可以在任一整流器模块中发生故障时中断发电控制装置7和ECU 8之间的LIN通信。
图11是示出通过中断发电控制装置7和ECU 8之间的LIN通信使ECU 8能够知道发生故障的例子的图。如图11中所示，在没有故障时，在发电控制装置7和ECU 8之间交替重复帧发送和帧接收。当在任一个整流器模块中发生故障时，该故障整流器模块的控制电路54通过周期性接通(上拉)例如由包括在通信电路180中的上拉电阻器和开关元件构成的通信驱动器将通过LIN通信的帧发送和接收中断比一个通信帧长的时间段。在图11中所示的例子中，三帧F1、F2和F3的发送和接收被中断。将通信驱动器在长于一个通信帧的时间段接通的原因是中断至少两帧的发送和接收以确保可靠地通知ECU 8发生故障。如果通信驱动器被接通短于一个通信帧的时间段，那么可能出现以下情况：仅在发电控制装置7处的帧接收被中断，并且不能将故障的发生通知给ECU 8。周期性发生的接通通信驱动器的定时间隔被设置为足够长的时间段以防止通信中断(例如，长于两帧的时间段)。这使得能够结合发送发生故障的通知在发电控制装置7和ECU 8之间交换与发电控制有关的数据。
例子(6)：例子(1)至(5)针对车辆发电机1进行发电操作的情况。
然而，如果车辆发电机1提供有检测转子相对于定子的转动位置(电角)的位置传感器，并且将转动位置的检测结果从车辆发电机1发送到整流器模块，可以将车辆发电机1用作能够进行发电操作和电驱动操作二者的汽车电动发电机。
图12是示出作为上述车辆发电机1的改进型的车辆发电机1A的结构的图。如图12中所示，与图1中所示的车辆发电机1相比，车辆发电机1A另外提供有用于检测转子转动位置的位置传感器13。使用位置传感器13检测转子的转动位置(电角)的方法有多种。例如，位置传感器13可以包括固定到车辆发电机1的框架上以检测固定到转子的磁体的转动位置的检测线圈。再例如，位置传感器13可以包括固定到车辆传感器1的框架上以检测固定到转子的永磁体的转动位置的霍尔元件。除了上面所述的，可变磁阻类型的分解器(resolver)或者光学传感器也可以用于检测转子的转动位置。
图13是示出位置传感器13和整流器模块之间连接的例子的图。在该例子中，位置传感器13和整流器模块通过整流器通信总线相连接，并且从位置传感器13向整流器模块发送基准脉冲。当转子关于定子转动了预定的电角时输出该基准脉冲。在该例子中，每360度电角输出一次该基准脉冲。然而，也可以每360度电角输出两次或更多次该基准脉冲。
图14是示出基准脉冲的输出定时和整流器模块的控制定时之间关系的图。每个整流器模块基于从位置传感器13输出的基准脉冲进行定时计算以为其自用设置定时基准以控制MOS晶体管50和51的接通/断开定时。在图14中，将整流器模块5X、5Y、5Z、6U、6V和6W的定时基准分别表示为5X基准、5Y基准、5Z基准、6U基准、6V基准和6W基准。根据该改进型，车辆发电机1A可以进行发电操作以对电池9充电或者向电负载10和12供电，并且使用电池9提供的电能进行电驱动操作。
当然，可以如下所述对上述实施例进行各种改进。上述实施例的车辆发电机包括两个定子绕组2、3和两个整流器模块组5和6。然而，本发明还适用于包括一个转子和一个整流器模块组的车辆发电机。此外，尽管上述实施例的车辆发电机包括每个都是星形连接的两个定子绕组2和3，但是本发明也适用于包括一个或多个△连接(delta-connected)的定子绕组的车辆发电机。
上面解释的优选实施例是仅由所附权利要求说明的本申请的发明的例子。应该理解，本领域的技术人员容易想到，可以对上述优选实施例进行改进。

Claims (8)

1.一种车辆发电机，包括：
缠有场绕组的转子，该场绕组用于激励所述转子的磁极；
缠有定子绕组的定子，该定子绕组作为多相绕组用于根据由所述场绕组产生的旋转磁场产生AC电压；
多个整流器模块，其分别连接到所述定子绕组的对应输出端子；以及
发电控制装置，用于通过控制流过所述场绕组的激励电流来控制从所述多个整流器模块的输出形成的所述车辆发电机的发电电压；
其中每个所述整流器模块包括在电池的正负端子之间串联连接的成对第一MOS晶体管和第二MOS晶体管，
所述多个整流器模块通过通信线相互连接，并且
所述多个整流器模块通过在所述通信线上传送的脉冲序列信号交换与所述多个整流器模块的所述第一MOS晶体管和第二MOS晶体管的控制有关的数据。
2.根据权利要求1所述的车辆发电机，其中每个所述整流器模块包括监视所述第一MOS晶体管和第二MOS晶体管的操作的监视部以及通过所述通信线发送和接收所述脉冲序列信号的通信部，并且每个所述整流器模块被配置成当所述监视部检测到所述第一MOS晶体管和第二MOS晶体管至少一个中的故障时改变从所述通信部输出的所述脉冲序列信号的电平。
3.根据权利要求2所述的车辆发电机，其中所述发电控制装置连接到所述通信线，所述发电控制装置具有通过所述通信线与外部控制装置进行通信的通信功能，并且所述发电控制装置被配置成当检测到已经对所述脉冲序列信号进行所述改变时通知所述外部控制装置在所述多个整流器模块的至少一个中发生了故障。
4.根据权利要求2所述的车辆发电机，其中所述发电控制装置具有通过串行通信线与外部控制装置进行串行通信的功能，所述串行通信线还被用作用于在所述多个整流器模块之间连接的所述通信线，所述外部控制装置被配置成通过监视发送到所述串行通信线的所述脉冲序列信号来检测故障。
5.根据权利要求4所述的车辆发电机，其中每个所述整流器模块被配置成当检测到所述故障时周期性地中断所述发电控制装置和所述外部控制装置之间的串行通信，以通知所述外部控制装置发生了所述故障。
6.根据权利要求1所述的车辆发电机，其中所述脉冲序列信号是具有与所述第一MOS晶体管和第二MOS晶体管的接通/断开控制定时相对应的电平改变定时的脉冲信号。
7.根据权利要求6所述的车辆发电机，其中每个所述整流器模块检测流到所述第一MOS晶体管和第二MOS晶体管之一的电流的极性改变时的零交叉点，并且将从所述零交叉点经过从所述外部控制装置通过所述通信线接收到的预定相位角的时间设定为所述第一MOS晶体管和第二MOS晶体管中所述之一的断开定时。
8.根据权利要求6所述的车辆发电机，还包括位置传感器，该位置传感器用于检测所述转子相对于所述定子的转动位置并且将表示所检测到的转动位置的基准脉冲发送到所述通信线，每个所述整流器模块被配置成基于所述基准脉冲设置所述第一MOS晶体管和第二MOS晶体管的接通/断开定时，以使所述车辆发电机能够选择性地执行发电操作和电驱动操作之一。
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