CN102291076B

CN102291076B - 混合式发动机驱动发电机

Info

Publication number: CN102291076B
Application number: CN201110158432.1A
Authority: CN
Inventors: 桥爪崇; 上野政则; 小川诚
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2010-06-15
Filing date: 2011-06-13
Publication date: 2014-08-20
Anticipated expiration: 2031-06-13
Also published as: EP2397359A1; JP5542533B2; JP2012005197A; US20110304139A1; CN102291076A; EP2397359B1; US8598723B2

Abstract

本发明提供混合式发动机驱动发电机，其能够针对突入电流使负载起动而不使发动机停转。可输出电流计算部对与发动机转速对应的发电机可输出电流进行映射图检索。电流不足量计算部计算可输出电流相对于负载电流的不足量。在电池余量足够的情况下，DC-DC变换器控制部从电池向直流部提供电流不足量。如果开始了从电池的电流供给，则使整流部的FET(Q6～Q8)截止而停止发电机的输出。发动机旋转稳定判别部判定发动机旋转是否稳定，如果判定为发动机旋转处于稳定状态，则使整流部的FET(Q6～Q8)导通而重新开始发电机的输出，使从电池向直流部的电流供给停止或逐渐减少。

Description

混合式发动机驱动发电机

技术领域

本发明涉及混合式发动机驱动发电机，尤其涉及如下的混合式发动机驱动发电机：在发生负载突入时(包括从低负载变化到高负载时)，通过防止发动机转速的低落时间和发电输出电压的下降时间变长来提高起动性，并且适于抑制发电机输出的下降。

背景技术

以往，公知有如下的混合式发动机驱动发电机，该混合式发动机驱动发电机具有：整流器，其将来自由发动机驱动的交流发电机(alternator)的三相交流输出电压转换为直流电压；逆变器，其将整流器的直流输出转换为交流输出电压；滤波电路；电池；直流-直流(DC-DC)变换器，其对电池的直流电压进行升压而提供给所述整流器与逆变器之间；以及控制部，其对所述逆变器和DC-DC变换器的输出进行控制。这种混合式发动机驱动发电机例如在专利文献1中进行了记载。此外，在混合式发动机驱动发电机中，例如在专利文献2中，记载有如下结构：在过负载时，对电池的直流电压进行升压而提供给DC-DC变换器，另一方面，对于逆变器，在外部负载电流大于额定电流值的情况下，依照预先设定的映射图来改变电压。

专利文献1：日本专利第3941927号公报

专利文献2：日本专利第4082657号公报

根据专利文献2所记载的现有的混合式发动机驱动发电机，即使在产生了负载增大时的突入电流的情况下也能够起动负载而不使发动机停转(stall)。但是，在现有技术中，在存在突入电流的情况下，一时地减小输出正弦波的振幅从而逆变器的输入电压下降，因此负载的起动时间可能会变长，或者由于电压下降而根本就不能起动(导致了复位)，这成为待解决的课题。

发明内容

本发明的目的在于针对上述课题，提供一种能够在存在突入电流的情况下使负载起动而不使发动机停转的混合式发动机驱动发电机。

为了达到上述目的的本发明是一种混合式发动机驱动发电机，其具有由发动机驱动的发电机、以及电池作为发电体，并具有：整流器，其对所述发电机的输出进行整流；逆变器，其将所述整流器的输出转换为交流电而作为发电机输出；以及DC-DC变换器，其对所述电池的直流电压进行升压而输入到所述逆变器，该混合式发动机驱动发电机的第1特征在于，具有：对所述发电机的与发动机转速对应的可输出电流进行计算的单元；对所述发电机的可输出电流相对于所述负载电流的不足量进行计算的单元；以及控制单元，其对所述DC-DC变换器进行控制，以从所述电池向所述逆变器提供与所述不足量对应的电流。

此外，本发明的第2特征在于，具有判断所述电池的端子电压是否为基准电压以上的单元，所述基准电压用于判定电池的余量不足，在电池的端子电压为基准电压以上的情况下，向所述逆变器提供与所述不足量对应的电流。

此外，本发明的第3特征在于，响应于从所述电池向所述逆变器的电流供给的开始，暂时停止来自所述发电机的输出，并且控制所述DC-DC变换器，以完全利用来自电池的输出提供所述负载电流。

此外，本发明的第4特征在于，具有发动机旋转判定单元，该发动机旋转判定单元判定发动机转速是否处于相对于根据负载电流确定的目标发动机转速保持在预定范围内的稳定状态，在判定为发动机旋转处于所述稳定状态时，开始从所述发电机的输出，减少从所述电池的输出。

此外，本发明的第5特征在于，根据预先设定的所述发电机与所述电池的输出比率，进行基于所述电池输出的电流值不足量辅助。

根据具有上述特征的本发明，即使在从低负载变化为高负载时等产生了较大突入电流的情况下，也能够用来自电池的输出补充发电机输出相对于负载电流的不足量，能够避免发动机负载变得过大并且防止发动机停转。

尤其是，根据具有第2特征的本发明，在电池余量足够的情况下进行基于电池输出的辅助，因此能够防止电池的过放电。

此外，根据具有第3特征的本发明，在开始从电池的输出时，暂时停止发电机的输出，因此能够防止施加到发动机的负载增大造成的发动机转速下降，因此能够在利用电池输出来应对负载的期间，在短时间内将发动机上升到与负载对应的转速，能够提高负载的起动特性。

此外，根据具有第4特征的本发明，能够可靠确认发动机旋转是稳定的状态，开始从发电机的输出，并且能够减少从电池的输出，因此能够在切换负载时、或接入负载时，防止混合式发动机驱动发电机的发电输出电压降低。

此外，根据具有第5特征的本发明，能够在预定的范围内进行基于电池输出的辅助，因此能够减轻电池负担。

附图说明

图1是示出本发明一个实施方式的混合式发动机驱动发电机的系统结构的框图。

图2是设定了相对于负载电流的目标发动机转速的映射图的例子。

图3是示出混合式发动机驱动发电机的更具体结构的电路图。

图4是示出DC-DC变换器的一例的电路图。

图5是混合式发动机驱动发电机的控制动作的流程图。

图6是设定了相对于发动机转速的发动机可输出电流的映射图的例子。

图7是示出发电机输出和电池输出相对于负载电流的输出比的关系的图。

图8是混合式发动机驱动发电机的动作的时序图。

图9是示出混合式发动机驱动发电机的主要部分控制功能的框图。

标号说明

1：混合式发动机驱动发电机；2：发动机；3：发电机；4：电池；5：电力转换部；9：DC-DC变换器；20：发动机转速检测部；21：可输出电流计算部；22：负载电流检测部；23：电流不足量计算部；24：DC-DC变换器控制部；25：电池余量判别部；27：发动机旋转稳定判别部；51：整流部；52：直流部；53：逆变器部。

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的一个实施方式。图1是本发明一个实施方式的混合式发动机驱动发电机的系统结构图。图1中，混合式发动机驱动发电机1具有发电机3，该发电机3与发动机2连接，并由发动机2驱动。发电机3是例如三相多极磁铁发电机。发电机3的输出侧与电力转换部5连接。电力转换部5对发电机3的发电输出进行整流、降压，进而转换为预定频率的交流电，并且进行滤波处理，连接至作为输出端子的插座6。

在电力转换部5上，隔着绝缘型DC-DC变换器9连接有电池4，来自发电机3的发电输出所形成的电流与电池4的电力所形成的电流被相加起来而提供至插座6。

控制单元(控制部)7在输入了在电力转换部5的输出侧检测到的负载电流IL的检测值(以下简称作“负载电流”)时，计算与负载电流IL对应的目标发动机转速。例如，可以在存储器中存储通过与负载电流IL之间的关联而预先对应的发动机目标转速，作为映射图，对该映射图进行检索来求出目标发动机转速。控制部7控制调节机构8而调整发动机2的节气门开度，使得发动机2的利用转速传感器(可以使用公知的传感器)检测到的发动机转速Ne收敛于目标发动机转速。

控制部7可以将电池输出指示提供给DC-DC变换器9，DC-DC变换器9根据电池输出指示控制来自电池4的输入，将蓄积在电池4中的电力提供给电力转换部5。另外，在电池输出指示中，考虑了电池信息(电池电压等)。

图2是示出利用与负载电流IL之间的关系设定了目标发动机转速的映射图的一例的图。在负载电流IL从零到I1的范围内，目标发动机转速被设定为怠速转速Neid1(例如2500rpm)，目标发动机转速随着负载电流IL的增大而增大，在负载电流IL变为I2时，目标发动机转速被设定为最大值Nemax。

图3是示出混合式发动机驱动发电机的具体结构的电路图。电力转换部5由整流部51、直流部52、逆变器部53以及波形成形电路54构成。

整流部51是具有电桥连接的开关元件(以下称为“FET”)Qa、Qb、Qc和Qd、Qe、Qf的整流电路。交流发电机3的绕组U与FET Qa和Qd的接合部连接，绕组V与FET Qb和Qe的接合部连接，绕组W与FET Qc和Qf的接合部连接。

直流部52是电压转换电路(降压型DC-DC变换器)，其包括与整流部51的输出线串联连接的开关元件(FET)Q1和扼流圈L3、以及与整流部51的输出线并联连接的二极管D7。在直流部52的输入侧和输出侧分别并联连接有电容器C1、C2。

逆变器部53由4个FET Q2、Q3、Q4和Q5进行电桥连接而成。波形成形电路54由线圈L1、L2和电容器C3构成。

由控制部7对直流部52的FET Q1、逆变器部53的FET Q2～Q5以及整流部51的FET Qa～Qf进行PWM控制。直流部52对所输入的直流电压进行降压。逆变器部53将输入电压转换为预定频率的交流电压而输入到波形成形电路54。波形成形电路54的输出侧与用于将发电机输出提取到外部的插座6连接。插座6与负载16连接。

电池4与绝缘型DC-DC变换器9的输入侧连接，绝缘型DC-DC变换器9的输出侧与直流部52的输入侧连接。电池4的输出电力由绝缘型DC-DC变换器9升压，被输入到直流部52。

图4是示出绝缘型DC-DC变换器9的结构例的电路图。绝缘型DC-DC变换器9包括变压器10，该变压器10具有一次侧的低压侧绕组10-1和二次侧的高压侧绕组10-2。绝缘型DC-DC变换器9的升压比由低压侧绕组10-1与高压侧绕组10-2的绕组比来确定。

低压侧开关部11被插入到低压侧绕组10-1侧，高压侧开关部12被插入到高压侧绕组10-2侧。低压侧开关部11例如由4个FET Q9、Q10、Q11和Q12进行电桥连接而构成，同样，高压侧开关部12由4个FET Q13、Q14、Q15和Q16进行电桥连接而构成。

二极管D7、D8、D9、D10以及D11、D12、D13、D14分别与低压侧开关部11和高压侧开关部12的FET Q9～Q16并联连接。这些二极管可以是FET的寄生二极管，也可以是另外连接的二极管。若结合并联连接的整流元件D7～D14，则可以认为低压侧开关部11和高压侧开关部12分别是开关/整流部。

在变压器10的高压侧绕组10-2侧插入有LC谐振电路13。LC谐振电路13发挥以下作用：使在低压侧开关部11和高压侧开关部12至少一方被驱动时流过的电流成为正弦波状，以降低开关损耗，并且不会引发因大电流而造成的FET破坏。这是因为能够在正弦波状的电流的过零点附近使FET导通、截止。另外，LC谐振电路13也可以设置在一次侧而非二次侧。

低压侧开关部11的FET Q9～Q12以及高压侧开关部12的FET Q13～Q16由控制部7进行开关控制。与一次侧及二次侧连接的电容器14、15是输出平滑用电容器。

在工作时，利用同一信号驱动该低压侧开关部11和高压侧开关部12而使它们完全同步，以使绝缘型DC-DC变换器9自动进行双向的电力转换。这种驱动是众所周知的，通过在低压侧开关部11中使一对FET Q9及Q12、一对FET Q10及Q11交替地导通、截止，并且在高压侧开关部12中使一对FET Q13及Q16、一对FET Q14及Q15交替地导通、截止来进行。

在发动机起动时，进行从绝缘型DC-DC变换器9的一次侧向二次侧的电力转换，由此将升压后的电池4的直流电压施加到作为驱动用逆变器的整流部51。整流部51如公知的那样对Q6～Q8进行PWM驱动，将所输入的直流电压转换为三相交流电压而施加给交流发电机3，由此发动机2起动。此时，可以利用电流分布由于依照交流发电机3的工作产生的反电动势而变化的情况来判别相位，并通过无传感器控制进行同步驱动。

直流部52在FET Q1导通期间，通过从整流部51或绝缘型DC-DC变换器9输入的电压，在扼流圈L3和电容器C2中蓄积电荷(能量)。此外，在FET Q1截止时，由于所蓄积的能量，电流通过二极管D7和扼流圈L3而流过。直流部52的输出电压根据FET Q1的占空比被降压。

图5是示出本实施方式的第1实施例的控制装置的动作的流程图。另外，该流程图的处理通过例如每10毫秒的中断执行。图5中，在步骤S1中，检测负载电流IL和电池4的端子电压Vb。负载电流IL可以根据在电压检测电阻(其可以设置在逆变器部53与波形成形电路54之间)的两端检测到的电压来计算。在步骤S2中，根据负载电流IL检索负载电流-目标转速映射图(参照图2)来计算目标转速Netgt。目标发动机转速Netgt也可以通过预先设定的运算式来计算。在步骤S3中，起动发动机2，通过调节机构8控制节气门开度，使得发动机转速Ne收敛于目标发动机转速Netgt。

在步骤S4中，利用转速传感器(未图示)检测发动机转速Ne。在步骤S5中，判断发动机转速Ne是否与目标发动机转速Netgt大体一致(例如，发动机转速Ne收敛到目标发动机转速Netgt±100rpm以内)、即，判断发动机转速Ne是否稳定。如果步骤S5为是，则进入步骤S6，判断发动机转速Ne的稳定状态是否经过了预定时间(例如100毫秒)。即，判断发动机转速Ne的稳定状态是否维持了预定时间。利用未图示的其他例程(routine)来进行用于该经过时间判定的计时器处理。目标发动机转速Netgt根据负载电流IL来确定，因此当负载电流IL增减时，目标发动机转速Netgt也增减，在负载恒定时，发动机转速Ne也变为稳定状态。

如果步骤S6为是，则进入步骤S7，计算出负载电流IL与发电机3的可输出电流Igout之差ΔI(ΔI＝Igout-IL)。可以在映射图中预先将发电机3的可输出电流Igout设定为与发动机转速Ne对应的值。图6示出设定了发电机3的与发动机转速Ne对应的可输出电流Igout的映射图的例子。映射图被设定为可输出电流Igout随着发动机转速Ne的增大而增大。

在步骤S8中，判断电流差ΔI是否为零以上。如果电流差ΔI为零以上，则进入步骤S9，控制DC-DC变换器9而使来自电池4的输出停止，从发电机3提供所有的负载电流IL。即，根据负载电流IL确定发动机2的目标发动机转速Netgt，开始发电机3的输出。在这种情况下，在没有完全停止电池4的输出，电池4的余量足够的情况下，也可以按照预先设定的比率辅助发电机3的输出。也可以不直接将电池4的输出设为零，而根据发电机3的输出增大而使电池4的输出比率逐渐降低。

另一方面，如果电流差ΔI小于零，即发电机3的可输出电流Igout低于负载电流IL，则进入步骤S10，判断电池电压Vb是否为电池允许输出电压Vbref以上。如果电池4的充电状态为足够，则该步骤S10的判断为肯定，如果电池4的充电状态为不足(例如放电状态)，则步骤S10为否定。在步骤S10为肯定的情况下，进入步骤S11。

在步骤S11中，为了弥补发电机3的输出电流Igout的不足，驱动DC-DC变换器9将来自电池4的电流Ib提供给直流部52。控制DC-DC变换器9的输出，使得电流差ΔI的负值越大，电池4的输出辅助量越大。由此，ΔI的负值越大，来自电池4的输出电流的辅助量越增加，电池4的输出电流Ib占电池4的输出电流Ib与发电机3的输出电流Igout的合计值的比率增高。

另一方面，在步骤S5是否定的情况下，进入步骤S12，判断是否经过了第2预定时间。在经过第2预定时间之前发动机转速Ne不稳定的情况下，判断为负载的增大量变大，发动机转速Ne下降，发生了不能通过发电机3的输出进行弥补的状态。将第2预定时间设为从步骤S3中发动机2被起动时开始的时间。

在步骤S12是肯定的情况下，进入步骤S13，判断电池电压Vb是否为电池允许输出电压Vbref以上。在步骤S13是肯定的情况下，进入步骤S14，开始电池4的输出。将电池4的输出设为根据负载电流IL而确定的值。在步骤S15中，使整流部51的FET Q6～Q8截止并停止发电机3的输出。不停止发动机2。

在步骤S10和步骤S13中电池4的电压Vb小于电池允许输出电压的情况下，不能从电池4进行输出，因此进入步骤S16，停止电池4的输出，并且利用对发电机3的输出进行振幅控制的方法向负载提供电流。这是因为在电池4的余量下降的情况下，与现有技术同样，只能利用振幅控制。

图7是示出发电机3和电池4相对于负载电流IL的输出比率的图。利用图5所示的处理，电池4的输出(电池输出电压)相对于发电机输出(发电机输出电压)的比率随着负载电流IL增大。即，在负载电流IL较小的期间，发电机输出电压的比率较大，电池输出电压的比率较小。并且，在负载电流IL最大的情况下，电池4和发电机3的输出为最大值，按照与它们的最大输出电压(额定电压)的大小对应的比率来确定电池4和发电机3的输出比率。另外，图7所示的输出比率是电池4的余量足够时的比率，在电池4的余量不足的情况下，如上所述，停止从电池4的输出。

图8是本实施方式的混合式发动机驱动发电机的动作时序图。图8中，当在定时t1处将负载从低负载切换为高负载时，负载电流IL增大。与该负载电流IL的增大对应地，目标发动机转速Netgt也增大。在切换负载时，负载电流IL成为较大的突入电流，在定时t2，目标发动机转速Netgt达到峰值。由于突入电流，插座6的电压暂时降低。发动机转速Ne追随目标发动机转速Netgt(其被设定为随着负载电流IL的增大而增大)而逐渐增大。

在定时t1，发电机3的输出不能追随负载电流IL的急剧增大，因此停止发电机3的输出。由此，发电机3的输出电流Igout变为零(参照上述步骤S15)。由于替代停止发电机3的输出而电池4开始输出(参照上述步骤S14)，因此电池输出电流Ib从定时t1起开始随着负载电流IL增大。

在定时t3，发动机转速Ne稳定，因此整流部51的FET Q6～Q8导通而开始发电机3的输出，发电机3的输出电流增大到与负载电流IL对应的值(参照上述步骤S9)。由此，插座6的电压也稳定。在发动机转速Ne稳定的定时t3，电池4的输出电流开始减少，该电池输出电流随着发电机3的可输出电流Igout的增大而逐渐减小。从由低负载切换为高负载的定时t1、到插座6的电压稳定的定时t3为止的时间为例如1秒、2秒或者3秒。

由此，根据本实施方式，在从低负载切换为高负载时，发电机3的输出不能追随负载的情况下，停止发电机3的输出，利用电池4来应对负载，因此发动机转速Ne不会由于突入电流而下降。由此，在利用电池4来应对负载的期间，发动机2迅速达到目标发动机转速Netgt而稳定。在现有技术中，在从低负载切换为高负载时，由于发动机转速Ne下降，因此，从该发动机转速Ne下降的位置起、至达到目标发动机转速并稳定为止的时间变长，在极端的情况下，发动机可能会停转。

另外，在利用发电机3和电池4两者的输出来补充负载电流IL的情况下，在电池4的余量足够时，可以控制发电机3和电池4的输出，以根据负载电流IL依照预先设定的两者的输出比率提供电流。也可以预先在映射图中设定与负载电流IL对应的输出比率。此时的映射图可以设为例如图7所示的设定。

图9是示出控制部7的主要部分功能的框图。在图9中，与图1相同的标号表示相同或同等的部分。控制部7的功能可通过微型计算机来实现。发动机转速检测部20根据设置在发动机2中的公知的转速传感器的输出，来检测发动机转速Ne。检测出的发动机转速Ne被输入到可输出电流计算部21，可输出电流计算部21计算出与发动机转速Ne对应的发电机3的可输出电流。该计算可以通过根据发动机转速Ne检索图6的映射图来实现。

负载电流计算部22检测从电力转换部5(更具体而言为逆变器部54)流入插座6的负载电流IL。电流不足量计算部23从负载电流IL中减去可输出电流Igout来计算电流不足量ΔI。DC-DC变换器控制部24驱动DC-DC变换器9，以从电池4向电力转换部5(具体而言为直流部52)提供相当于电流不足量ΔI的电流。根据电池4的余量是否足够来确定是否从电池4向电力转换部5供给电流，为此，设置了电池余量判别部25。

电池输出开始检测部26在根据DC-DC变换器控制部24的输出检测到开始了从电池4向电力转换部5的电流供给时，使电力转换部5(具体而言为整流部51)的FET Q6～Q8截止而停止发电机3的输出。

发动机旋转稳定判别部27根据发动机转速Ne是否与目标发动机转速Netgt大体一致、而且该状态是否经过了预定时间，来判定发动机旋转是否稳定。如果判定为发动机旋转处于稳定状态，则使整流部51的FET Q6～Q8导通而开始发电机3的输出。与此同时，驱动DC-DC变换器控制部24来使从电池4向直流部52的电流供给停止或逐渐减少。

根据实施例说明了本发明，但是本发明不限于该实施例，能够根据权利要求所记载的事项和公知技术进行变形。例如，发动机的起动单元可以不是发电机3。也可以是反冲起动器或起动电动机。

Claims

1.一种混合式发动机驱动发电机，其具有由发动机驱动的发电机、以及电池作为发电体，并具有：整流器，其对所述发电机的输出进行整流；逆变器，其将所述整流器的输出转换为交流电而作为所述混合式发动机驱动发电机的输出；以及DC－DC变换器，其对所述电池的直流电压进行升压而输入至所述逆变器，该混合式发动机驱动发电机的特征在于，具有：

发动机转速检测单元；

对所述发电机的与发动机转速对应的可输出电流进行计算的单元；

负载电流计算单元；

对所述发电机的可输出电流相对于所述负载电流的不足量进行计算的单元；

控制单元，其对所述DC－DC变换器进行控制，以从所述电池向所述逆变器提供与所述不足量对应的电流；

检测所述电池的端子电压的单元；以及

判断所述电池的端子电压是否为基准电压以上的单元，所述基准电压用于判定电池的余量不足，

所述控制单元构成为，在电池的端子电压为基准电压以上的情况下，向所述逆变器提供与所述不足量对应的电流。

2.根据权利要求1所述的混合式发动机驱动发电机，其特征在于，响应于从所述电池向所述逆变器的电流供给的开始，暂时停止来自所述发电机的输出，并且所述控制单元控制所述DC－DC变换器，以完全利用来自电池的输出提供所述负载电流。

3.根据权利要求2所述的混合式发动机驱动发电机，其特征在于，

该混合式发动机驱动发电机具有发动机旋转判定单元，该发动机旋转判定单元判定发动机转速是否处于相对于根据负载电流确定的目标发动机转速保持在预定范围内的稳定状态，

在判定为发动机旋转处于所述稳定状态时，开始从所述发电机的输出，减少从所述电池的输出。

4.根据权利要求1所述的混合式发动机驱动发电机，其特征在于，根据预先设定的所述发电机与所述电池的输出比率，进行基于所述电池输出的电流值不足量辅助。