CN102400829B - 用于起动内燃机的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于起动内燃机的方法和装置。一种用于内燃机的起动系统，包括：起动机马达，所述起动机马达配置成在发动机起动事件期间传递扭矩至发动机；低压功率总线，所述低压功率总线包括第一总线区段和第二总线区段；可控隔离电路，所述可控隔离电路包括第一和第二总线区段电联接的第一状态以及第一和第二总线区段电隔离的第二状态；低压蓄电池，所述低压蓄电池和起动机马达电联接到第一总线区段；附件功率模块和用于控制模块的功率源，其电联接到第二总线区段；以及所述控制模块配置成在发动机起动事件期间控制隔离电路至第二状态，以将第一总线区段从第二总线区段电隔离。

Description

用于起动内燃机的方法和装置
技术领域
本发明涉及用于内燃机的起动系统。
背景技术
该部分内容仅提供与本发明有关的背景信息且不必要构成现有技术。
车辆电气系统包括电机（例如马达）和接收来自能量存储装置（例如，蓄电池）的电功率的附件驱动装置，所述车辆电气系统通过源自控制模块和其它控制装置和逻辑电路的信号来控制。一个电气电路包括电气驱动起动机马达，其在用点火开关致动时使得内燃机旋转。控制模块被电气驱动并且仅当电功率大于用于集成电路及其其它部件的最小操作电压（例如，5V DC）时按照所要求的进行操作。
在发动机起动事件期间，起动机马达的功率提取可导致蓄电池电压和系统电压下降低于控制模块的集成电路的最小操作电压，因而影响其运行的能力。保持系统电压高于最小操作电压的已知方法是在控制模块中包括增压电功率源，这导致增加的控制模块电路复杂性以及相关成本。
在使用内燃机结合电扭矩机械以产生牵引扭矩的混合动力车辆系统中，辅助或附件功率模块可被使用以代替交流电机/发电机来支持低压负载以及电气充电低压蓄电池。辅助功率模块将来自高压混合动力蓄电池系统的能量转化为低压，以支持低压系统。用于配置成向起动机马达提供电功率的辅助功率模块的峰值功率定额必须足以在宽范围的环境状况、发动机操作状况以及相关电气负载下操作起动机马达。具有操作起动机马达的足够电功率容量的辅助功率模块可能不是成本有效的。
发明内容
用于内燃机的起动系统包括：起动机马达，所述起动机马达配置成在发动机起动事件期间传递扭矩至发动机；低压功率总线，所述低压功率总线包括第一总线区段和第二总线区段；可控隔离电路，所述可控隔离电路包括第一和第二总线区段电联接的第一状态以及第一和第二总线区段电隔离的第二状态；低压蓄电池，所述低压蓄电池和起动机马达电联接到第一总线区段；附件功率模块和用于控制模块的功率源，其电联接到第二总线区段；以及所述控制模块配置成在发动机起动事件期间控制隔离电路至第二状态，以将第一总线区段从第二总线区段电隔离。
本发明涉及下述技术方案。
1. 一种用于内燃机的起动系统，包括：
起动机马达，所述起动机马达配置成在发动机起动事件期间传递扭矩至发动机；
低压功率总线，所述低压功率总线包括第一总线区段和第二总线区段；
可控隔离电路，所述可控隔离电路包括第一和第二总线区段电联接的第一状态以及第一和第二总线区段电隔离的第二状态；
低压蓄电池，所述低压蓄电池和起动机马达电联接到第一总线区段；
附件功率模块和用于控制模块的功率源，其电联接到第二总线区段；和
所述控制模块配置成在发动机起动事件期间控制隔离电路至第二状态，以将第一总线区段从第二总线区段电隔离。
2. 根据技术方案1所述的起动系统，还包括，所述控制模块配置成在发动机起动事件之后控制隔离电路至第一状态，以将第一总线区段和第二总线区段电联接。
3. 根据技术方案2所述的起动系统，还包括，所述控制模块配置成仅在发动机起动事件之后控制隔离电路至第一状态，以将第一总线区段和第二总线区段电联接。
4. 根据技术方案1所述的起动系统，其中，隔离电路包括与隔离开关装置电并联的隔离二极管，所述隔离二极管定向成具有从低压功率总线的第一总线区段至第二总线区段的正向偏压。
5. 根据技术方案4所述的起动系统，其中，隔离电路至第一状态的控制包括控制隔离开关装置至闭合位置，隔离电路至第二状态的控制包括控制隔离开关装置至断开位置。
6. 根据技术方案5所述的起动系统，其中，控制模块配置成仅当发动机在运行时控制隔离开关装置至闭合位置。
7. 根据技术方案6所述的起动系统，其中，附件功率模块包括电功率转换器，其配置成将高压功率总线可用的高压DC电功率减低至低压DC电功率，附件功率模块电联接到第二总线区段，以向其传送低压DC电功率。
8. 根据技术方案7所述的起动系统，其中，附件功率模块电联接到第二总线区段以向其传送低压DC电功率以及仅当隔离开关装置被控制至闭合位置时电联接至低压功率总线的第一总线区段。
9. 一种发动机起动系统，用于包括内燃机的混合动力动力系系统，所述发动机起动系统包括：
低压功率总线，所述低压功率总线包括第一总线区段、第二总线区段以及在第一总线区段和第二总线区段之间串联电联接的可控隔离电路；
低压蓄电池和起动机马达，电联接到第一总线区段；
附件功率模块，电联接到第二总线区段；和
控制模块，所述控制模块配置成当控制隔离电路将第二总线区段从第一总线区段电隔离时用低压蓄电池致动起动机马达以实现发动机起动事件。
10. 根据技术方案9所述的发动机起动系统，其中，隔离电路包括与隔离开关装置电并联的隔离二极管，所述隔离二极管定向成具有从低压功率总线的第一总线区段至第二总线区段的正向偏压，其中控制隔离电路将第二总线区段从第一总线区段电隔离包括控制隔离开关装置至断开状态。
11. 根据技术方案10所述的发动机起动系统，其中，控制模块还配置成在混合动力动力系系统的操作期间在发动机起动事件之后控制隔离开关装置至闭合状态，以将第二总线区段电联接到第一总线区段。
12. 根据技术方案10所述的发动机起动系统，其中，控制模块还配置成在混合动力动力系系统的操作期间在内燃机未运行时控制隔离开关装置至断开状态，以将第二总线区段从第一总线区段电隔离。
13. 一种用于起动混合动力动力系系统的内燃机的方法，包括：
指令发动机起动事件；
操作电连接到低压蓄电池的起动机马达，所述起动机马达配置成响应于发动机起动事件传送扭矩至发动机以及在指令的发动机起动事件期间将低压蓄电池和和起动机马达从附件功率模块电隔离；以及
仅在指令的发动机起动事件之后将低压蓄电池电联接到附件功率模块以允许电流从附件功率模块流动至低压蓄电池。
14. 根据技术方案13所述的方法，其中，将低压蓄电池和起动机马达从附件功率模块电隔离包括在指令的发动机起动事件期间限制电流从附件功率模块流动至起动机马达和低压蓄电池。
附图说明
现将以示例的方式参考附图来描述一个或多个实施例，在附图中：
图1是根据本发明的车辆的二维示意图，所述车辆包括控制系统、混合动力动力系系统以及传动系；和
图2示意性地示出了根据本发明的电气电路，所述电气电路包括具有第一总线区段、第二总线区段和隔离电路的低压功率总线。
具体实施方式
现参考附图，其中附图仅用于描述一些示例性实施例的目的且不旨在限制本发明，图1示意性地示出了车辆10，其包括控制系统100、混合动力动力系系统200以及传动系300。在说明书中相同的附图标记指代相同的元件。
传动系300可包括差速齿轮装置310，其机械地联接到车轴320或半轴，在一个实施例中车轴320或半轴机械地联接到车轮330。差速齿轮装置310联接到混合动力动力系系统200的输出构件64并且在其间传输输出功率。传动系300在混合动力动力系系统200和道路表面之间传送牵引功率。
混合动力动力系系统200包括内燃机240和（多个）扭矩机械230，所述内燃机240和（多个）扭矩机械230机械地联接到混合动力变速器250。源自发动机240中的机械功率可借由输入构件12以及使用混合动力变速器250传送到输出构件64以及扭矩机械230。与来自于发动机240的这种输入功率相关的参数包括输入扭矩TE和输入速度NE。扭矩机械230的机械功率可使用混合动力变速器250传输到输出构件64和发动机240。与这种机械功率传送相关的参数包括电机扭矩TM和电机速度NM。机械功率可借由输出构件64在混合动力变速器250和传动系300之间传送。与这种机械功率传送相关的参数包括输出扭矩TO和输出速度NO。
优选地，发动机240是可选择地操作在多个状态的多缸内燃机，包括发动机起用状态和发动机关闭状态中的一个、全部气缸状态和气缸停用状态中的一个、以及燃料供应状态和燃料切断状态中的一个。在一个实施例中，通过选择性地致动一个或多个扭矩传递离合器，混合动力变速器250可操作在多个范围状态，包括固定档位和连续可变范围状态。在一个实施例中，发动机240是火花点火发动机，具有通过提前或延迟火花点火正时来控制的燃烧正时。替代性地，发动机240是压缩点火发动机，具有通过提前或延迟燃料燃烧事件的正时来控制的燃烧正时。要理解的是，发动机240可配置成操作在其它燃烧模式。
要理解的是，在一个实施例中，混合动力变速器250可配置并控制成使用一个或多个差速齿轮组以及选择性致动一个或多个扭矩传递装置（例如，离合器）来从其传递机械功率。
扭矩机械230、发动机240和混合动力变速器250每个都包括用于监测其操作的多个感测装置，包括旋转位置传感器（例如，解析器），用于监测每个扭矩机械230的旋转位置和速度。扭矩机械230、发动机240和混合动力变速器250包括用于控制其操作的多个致动器。发动机240包括起动机马达（起动机）245。起动机马达245优选地是螺线管控制低压电机，其配置成响应于源自控制系统100的致动信号产生旋转扭矩，以旋转发动机240。
高压能量存储装置（HV 蓄电池）210存储势能并且借由高压功率总线165和可控功率逆变器联接到一个或多个扭矩机械230，以在其间传递功率。优选地，高压能量存储装置210包括电力存储装置，其可包括多个电池、超级电容以及配置成存储车载电能的其它装置。扭矩机械230优选地包括多相电动机/发电机，其配置成将存储的电能转化为机械功率以及将机械功率转化为电能，所述电能可响应于源自控制系统100的控制信号通过可控功率逆变器存储在高压蓄电池210中。发动机240通过燃烧过程将存储在燃料罐中的燃料转化为机械功率。
控制系统100包括控制模块120，其信号地联接到操作员接口130。控制模块120包括低压电功率源122，以向其提供调节低压电功率。操作员接口130优选地包括多个人/机接口装置，操作员通过所述人/机接口装置指令车辆10的操作，包括点火开关、加速器踏板、制动器踏板以及变速器档位选择器（PRNDL）。虽然控制模块120和操作员接口130被示出为分离的元件，但是这种描述是为了便于描述。应当认识到的是，被描述为通过控制模块120执行的功能可结合到一个或多个装置中，例如在软件、硬件和/或专用集成电路（ASIC）和可从控制模块120分离并且远离的辅助电路中实施。控制模块120优选地包括一个或多个通用目的竖数字控制器，每个包括微处理器或中央处理单元、包括只读存储器（ROM）、随机存取存储器（RAM）、可电擦除可编程只读存储器（EPROM）的存储介质、高速时钟、数模（A/D）和模数（D/A）电路、输入/输出电路和装置（I/O）以及合适的信号调节和缓冲电路。控制模块120具有一组控制算法，包括存储在一种存储介质中并被执行以提供各自功能的常驻程序指令和标定值。控制模块120被示出信号连接到通信总线175，用于信息传送。要理解的是到控制模块120和来自于控制模块120的信息可通过一个或多个通信路径来完成，包括使用直接连接、使用局域网总线以及使用串行外设接口总线。控制策略的算法在预设循环期间被执行，使得每个算法在每个循环期间至少被执行一次。存储在非易失性存储装置中的算法由一个中央处理单元执行，以监测来自感测装置的输入并且执行控制和诊断例程从而用预设标定值控制与混合动力动力系系统200的元件相关的致动器的操作。在持续进行的混合动力动力系操作期间，循环通常以规则间隔例如每3.125、6.25、12.5、25和100毫秒被执行。替代性地，算法可响应于事件的发生而被执行。
控制模块120优选地借由通信总线175信号地且可操作地连接到混合动力动力系系统200的各个元件。控制模块120信号地连接到扭矩机械230、发动机240和混合动力变速器250中每个的感测装置，以监测其操作并且确定参数状态。发动机240的监测状态优选地包括发动机速度（NE）、发动机扭矩（TE）或负载以及温度。混合动力变速器250的监测状态优选地包括旋转速度以及在多个位置的液压压力，由此可确定包括应用具体扭矩传递离合器的参数状态。扭矩机械230的监测状态优选地包括速度（NM）和功率流（例如，电流的流），由此可确定从扭矩机械230输出的电机扭矩（TM）的参数状态。
控制模块120可操作地连接到扭矩机械230、发动机240和混合动力变速器250中每个的致动器，以根据以算法和标定值形式存储的被执行控制策略来控制其操作。与扭矩机械230相关的致动器优选地包括可控功率逆变器。与发动机240相关的致动器优选地包括起动机马达245和其它致动器，例如燃料喷射器、空气流控制器、火花点火系统以及与包括控制发动机状态的控制发动机操作相关的其它已知装置。与混合动力变速器250相关的致动器包括螺线管装置，用于致动扭矩传递离合器以实现在具体范围状态下的操作。
车辆10包括低压功率总线155，用于在车辆10内传递低压DC电功率。低压DC电功率在一个实施例中具有12-14 V DC的电压范围。低压功率总线155包括第一总线区段155A和第二总线区段155B，它们借由隔离电路（Iso电路）160可选择地联接。附件功率模块（APM）225和低压电功率源122电连接到第二总线区段155B。低压蓄电池装置（LV蓄电池）235电连接到第一总线区段155A。起动机马达245配置成电连接到第一总线区段155A，以从低压蓄电池235汲取电流以产生旋转扭矩，以响应于源自控制系统100的起动发动机240的前述控制信号来旋转发动机240。
附件功率模块（APM）225借由高压功率总线165电连接到高压能量存储装置（HV蓄电池）210。附件功率模块225是电功率转换器，其将在高压功率总线165上可用的高压DC电功率的一部分减低至低压DC电功率（优选地在12-14V DC范围），以将电功率提供给低压车载电驱动附件。附件功率模块（APM）225电连接到低压电功率源122。
图2示意性地示出了包括低压功率总线155的电气电路，所述低压功率总线155包括第一总线区段155A和第二总线区段155B，并具有隔离电路160。低压功率总线155电连接低压蓄电池装置235、起动机马达（起动机）245和附件功率模块（APM）225并且将电功率传送到控制模块120的低压电功率源122。控制模块120借由通信总线175连接到起动机马达245和隔离电路160，以控制其操作。
隔离电路160在一个实施例中包括与隔离二极管162并联布线的隔离开关装置164。隔离电路160被控制为在没有控制模块120的主动控制的情况下允许低压功率总线155从低压蓄电池装置235供应低压电功率至第二总线区段155B。隔离开关装置164可控制在所示的断开状态和闭合状态中的一个，并且优选地通过控制模块120输出的信号可操作地被控制。在一个实施例中，隔离开关装置164是IGBT装置。当隔离开关装置164是IGBT装置时，IGBT装置可包括内部二极管，其使得隔离二极管162冗余且因此被省略。替代性地，隔离开关装置164是常闭机电中继器装置，其在起动机马达245接合以起动发动机240之前通过来自于控制模块120的控制信号被控制在断开状态，以将第一总线区段155A从第二总线区段155B隔离。要理解的是，隔离开关装置164可包括其它硬件配置。
隔离二极管162定向成具有从低压蓄电池235至附件功率模块225的正向偏压，包括朝向低压蓄电池235定向的阳极（+）以及朝向附件功率模块225定向的阴极（-）。当隔离开关装置164处于断开状态时，电流可借由第一总线区段155A通过隔离二极管162和第二总线区段155B从低压蓄电池235流动至附件功率模块225。此外，电流可从低压蓄电池235流动至起动机马达245，且电流可从附件功率模块225流动至控制模块120的低压电功率源122以及其它附件。隔离二极管162的存在和操作在隔离开关装置164处于断开状态时防止电流从第二总线区段155B流动至第一总线区段155Aa，包括防止电流从附件功率模块225流动至低压蓄电池235和起动机马达245。当隔离开关装置164处于闭合状态时，电流可在第一总线区段155A和第二总线区段155B之间在任一方向流动。因此，电流可在低压蓄电池235、起动机马达245、附件功率模块225、控制模块120的低压电功率源122以及其它附件之间流动。
在混合动力车辆中的前述系统的操作关于表1进行描述。
表1
车辆状态 点火开关 起动机 发动机 隔离开关
车辆停止 断开 关 关 断开
车辆起动 断开->接通 关 关 O断开
发动机起动 接通 开 关->开 断开
发动机运行 接通 关 开 闭合
在操作中，控制模块120如下控制隔离开关装置164。当车辆处于停止状态（车辆停止）时，车辆点火开关被断开（OFF）且隔离开关装置164处于断开状态（OPEN）。低压蓄电池235借由隔离二极管162通过低压功率总线155将所需电流供应至附件功率模块225和控制模块120的低压电功率源122。
当操作员表明操作车辆10的意图（车辆起动）时，例如通过包括将车辆点火开关从断开转变为接通（OFF -> ON）的钥匙接通动作，隔离开关装置164保持处于断开状态（OPEN）。低压蓄电池235借由隔离二极管162通过低压功率总线155将所需电流供应至附件功率模块225和控制模块120的低压电功率源122，并且附件功率模块225被致动，以根据需要将电流供应给控制模块120的低压电功率源122。车辆10在发动机240关闭状态（OFF）下操作。
可存在操作发动机240的指令，其包括起动发动机240（发动机起动）以及随后运行发动机240（发动机运行）。操作发动机240的指令可响应于操作员扭矩请求或响应于控制模块120的自动起动控制信号而出现，例如在车辆10的持续进行操作期间提供功率以增加高压蓄电池210的电荷状态。操作发动机240的指令优选地源自控制模块120。
起动发动机240（发动机起动）包括致动起动机马达245（ON），从而使得其借由低压功率总线155从低压蓄电池235汲取电流。在起动机马达245被致动（ON）时的时间段期间，隔离开关装置164保持在断开状态（OPEN）。存在隔离二极管163和在断开状态（OPEN）的隔离开关装置164导致所有电流借由第一总线区段155A从低压蓄电池235被汲取至起动机马达245。相应地，附件功率模块225借由第二总线区段155B向控制模块120的低压电功率源122以及任何其它附件功率需求提供电功率。当隔离开关装置164处于断开状态（OPEN）时，第一总线区段155A从第二总线区段155B电分离，即，在车辆10内存在用于传递低压DC电功率的两个电分离的低压DC电功率总线。因此，连接到第二总线区段155B的控制模块120的低压电功率源122以及任何其它附件功率装置从瞬时功率电压电隔离，所述瞬时功率电压源自至与起动发动机240相关的起动机马达245的电流的流。
当发动机240在运行（ON）且起动机马达245不再致动（OFF）时，隔离开关装置164被控制在闭合状态（CLOSED），从而允许电流在第一总线区段155A和第二总线区段155B之间的任一方向上流动，绕过隔离二极管162。
本发明已经描述了一些优选实施例及其变形。在阅读和理解说明书之后本领域技术人员能够想到进一步的修改和变换。因此，本发明旨在不局限于用于实施本发明所构想的最佳模式而公开的具体实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求书范围内的所有实施例。

Claims (10)

1.一种用于内燃机的起动系统，包括：
起动机马达，所述起动机马达配置成在发动机起动事件期间传递扭矩至发动机；
低压功率总线，所述低压功率总线包括第一总线区段和第二总线区段；
低压蓄电池，所述低压蓄电池和起动机马达电联接到第一总线区段；和
附件功率模块和用于控制模块的功率源，其电联接到第二总线区段，其特征在于，
所述起动系统还包括可控隔离电路，所述可控隔离电路包括与隔离开关装置电并联的隔离二极管，所述隔离二极管定向成具有从第一总线区段至第二总线区段的正向偏压，在没有主动控制的情况下允许电功率从第一总线区段流动至第二总线区段，所述隔离开关装置在第一和第二总线区段电联接的第一状态以及第一和第二总线区段电隔离的第二状态操作，
所述控制模块配置成在发动机起动事件期间控制隔离电路至第二状态，以将第一总线区段从第二总线区段电隔离，
其中，隔离电路至第一状态的控制包括控制隔离开关装置至闭合位置，隔离电路至第二状态的控制包括控制隔离开关装置至断开位置。
2.根据权利要求1所述的起动系统，还包括，所述控制模块配置成在发动机起动事件之后控制隔离电路至第一状态，以将第一总线区段和第二总线区段电联接。
3.根据权利要求2所述的起动系统，还包括，所述控制模块配置成仅在发动机起动事件之后控制隔离电路至第一状态，以将第一总线区段和第二总线区段电联接。
4.根据权利要求1所述的起动系统，其中，控制模块配置成仅当发动机在运行时控制隔离开关装置至闭合位置。
5.根据权利要求4所述的起动系统，其中，附件功率模块包括电功率转换器，其配置成将高压功率总线可用的高压DC电功率减低至低压DC电功率，附件功率模块电联接到第二总线区段，以向其传送低压DC电功率。
6.根据权利要求5所述的起动系统，其中，附件功率模块电联接到第二总线区段以向其传送低压DC电功率以及仅当隔离开关装置被控制至闭合位置时电联接至低压功率总线的第一总线区段。
7.一种发动机起动系统，用于包括内燃机的混合动力动力系系统，所述发动机起动系统包括：
低压功率总线，所述低压功率总线包括第一总线区段、第二总线区段以及在第一总线区段和第二总线区段之间串联电联接的可控隔离电路；
低压蓄电池和起动机马达，电联接到第一总线区段；和
附件功率模块，电联接到第二总线区段，其特征在于，
所述可控隔离电路包括与隔离开关装置电并联的隔离二极管，所述隔离二极管定向成具有从第一总线区段至第二总线区段的正向偏压，在没有主动控制的情况下允许电功率从第一总线区段流动至第二总线区段，
所述发动机起动系统还包括控制模块，所述控制模块配置成当控制隔离电路将第二总线区段从第一总线区段电隔离时用低压蓄电池致动起动机马达以实现发动机起动事件，
其中控制隔离电路将第二总线区段从第一总线区段电隔离包括控制隔离开关装置至断开状态。
8.根据权利要求7所述的发动机起动系统，其中，控制模块还配置成在混合动力动力系系统的操作期间在发动机起动事件之后控制隔离开关装置至闭合状态，以将第二总线区段电联接到第一总线区段。
9.根据权利要求7所述的发动机起动系统，其中，控制模块还配置成在混合动力动力系系统的操作期间在内燃机未运行时控制隔离开关装置至断开状态，以将第二总线区段从第一总线区段电隔离。
10.一种用于起动混合动力动力系系统的内燃机的方法，包括：
指令发动机起动事件；以及
操作电连接到低压蓄电池的起动机马达，所述起动机马达配置成响应于发动机起动事件传送扭矩至发动机以及在指令的发动机起动事件期间将低压蓄电池和起动机马达从附件功率模块电隔离，其特征在于，
所述方法还包括：仅在指令的发动机起动事件之后发动机运行时将低压蓄电池电联接到附件功率模块以允许电流从附件功率模块流动至低压蓄电池，而在没有主动控制的情况下允许电流从低压蓄电池流动至附件功率模块，
其中，将低压蓄电池和起动机马达从附件功率模块电隔离包括在指令的发动机起动事件期间限制电流从附件功率模块流动至起动机马达和低压蓄电池。
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